小型无人直升机的姿态与高度自适应反步控制

针对小型无人直升机的姿态与高度控制问题, 本文提出了一种基于反步法的自适应控制策略. 具体而言, 首先对小型无人直升机的运动学模型进行了等效变换, 使系统中未知参数满足线性参数化条件, 然后应用反步法设计了包含主旋翼挥舞模型的姿态与高度自适应控制器, 并借助Lyapunov方法和芭芭拉定理对闭环系统的稳定性进行了严格的数学分析. 最后, 对该控制器的性能进行了仿真验证, 结果表明在直升机质量和惯性矩阵存在不确定性(未知)的情况下, 该控制算法依然能够取得良好的控制效果.     

非匹配扰动干扰下的无人直升机轨迹跟踪控制

针对小型无人直升机在飞行过程中容易受到非匹配扰动影响的特点,本文设计了一种基于新型滑模控制方法的轨迹跟踪控制器.首先,建立了无人直升机系统的非线性数学模型,并对该模型进行近似反馈线性化处理,同时将模型分为位置和偏航两个子系统;然后,利用扩展扰动观测器对复合扰动以及非匹配扰动的各阶导数的估计值,设计新型时变滑模面,得到滑模控制律,并给出了控制系统的稳定性分析;最后,仿真结果验证了控制方法的有效性和优越性.该新型滑模控制方法的优越性主要体现在:对非匹配扰动具有较强的鲁棒性,以及能有效地抑制抖振现象.     

一种线性自抗扰控制器的无人直升机姿态控制方法研究

针对无人直升机模型复杂,控制器难于设计,易受外界干扰等问题,本文在建立亚拓系列直升机动力学模型基础上,提出了一种改进的二阶线性自抗扰控制器。首先,将线性扩张状态观测器用于估计影响输出结果的扰动,并加入跟踪微分器。然后,改进了控制器结构与反馈补偿系数,使直升机姿态角能够更快地响应所输入的指令,并能够按设定的角度飞行,以完成要求的任务;最后,通过引入白噪声干扰模块,来验证本文控制器的抗干扰能力。对比仿真结果表明,本文所提出的控制器对于无人直升机的姿态角有较好的控制效果,优于其他两种控制器。特别是在噪声干扰的条件下,也有较好的动态性能和鲁棒性。     

小型无人直升机姿态非线性鲁棒控制设计

本文针对小型无人直升机的姿态控制问题,通过系统参数辨识,获得了较为准确的无人直升机姿态动力学模型.并根据无人直升机的动态特性,设计了基于神经网络前馈与滑模控制的非线性鲁棒姿态控制律,该控制律对直升机模型的先验知识要求较低.利用基于Lyapunov的分析方法证明,设计的控制律能够实现对无人直升机姿态角的半全局指数收敛镇定控制,并能确保闭环系统的稳定性.基于姿态飞行控制实验平台的实时飞行控制实验结果表明,提出的控制设计取得了很好的姿态控制效果,并对系统不确定性和外界风扰动具有较好的鲁棒性.     

基于PIDNN的六旋翼无人机飞行控制算法研究

针对六旋翼无人机比例-积分-微分(PID)控制器参数优化困难的问题,采用了PID神经网络(PIDNN)控制方法,利用其非线性映射和自学习的特性,实现了姿态控制参数的动态调整,增加了系统的自适应性.为验证方法的有效性,通过Matlab的Simulink模块构建了六旋翼无人机数学模型;利用S函数实现了基于反向传播(BP)算法的PIDNN控制器;将仿真结果与传统PID控制效果进行对比,结果表明:在缩短姿态调整时间与减少超调量方面,PIDNN方法控制效果优于PID方法.     

小型无人直升机反步自适应控制

针对具有强非线性、高度耦合以及参数不确定性特点的小型无人直升机系统,提出一种基于小脑模型关节控制器（Cerebellar Model Articulation Control,CMAC）神经网络的自适应反步控制方法,该方法采用小脑模型关节控制器神经网络在线学习系统不确定性以及反步控制中各阶虚拟控制量的导数信息,设计鲁棒控制项克服CMAC神经网络在线学习系统不确定性的误差,控制律由反步法回归递推得到。仿真结果表明,在模型参数不确定和存在较大误差的情况下,所设计的控制律具有理想的姿态跟踪性能以及良好的鲁棒性。     

共轴式无人直升机建模与鲁棒跟踪控制

针对共轴式无人直升机非线性、强耦合的动力学特性,本文提出了一种基于动态反馈线性化方法的鲁棒跟踪控制策略.首先根据叶素理论、Pitt-Peters动态入流模型、上下旋翼气动干扰分析建立了共轴式无人直升机的数学模型.然后对于高度-姿态子系统,通过扩展状态变量对其进行了动态反馈线性化,分析了零动态特性.根据内环期望跟踪特性对解耦后的子系统进行极点配置.通过设计鲁棒补偿器实现了对高度与姿态指令的鲁棒跟踪.在此基础上,针对水平面内的位置子系统设计了外环比例微分(proportional-derivative,PD)控制器以实现位置跟踪.最后,通过内环跟踪仿真验证了反馈线性化方法良好的解耦特性,通过干扰条件下的轨迹跟踪仿真验证了所设计控制器具有较好的控制性能与鲁棒性.     

基于滤波反步法的无人直升机轨迹跟踪控制

针对无人直升机模型阶数比较高,设计常规反步法控制器时面临着对虚拟控制输入信号求导过程较为繁琐的缺陷,提出一种基于滤波器反步法的控制方法.首先,通过滤波器而非直接解析地对虚拟控制量求导,从而显著简化了反步控制器的设计过程,而且由于导数是通过积分过程而非微分得到,大大降低了测量噪声的影响;然后,基于李雅普诺夫稳定性理论证明了补偿跟踪误差是全局指数稳定的;最后,通过仿真结果进一步验证了所提出方法的稳定性和有效性.     

Robust output tracking control of a laboratory helicopter for automatic landing

In this paper, robust output tracking control problem of a laboratory helicopter for automatic landing in high seas is investigated. The motion of the helicopter is required to synchronise with that of an oscillating platform, e.g. the deck of a vessel subject to wave-induced motions. A robust linear time-invariant output feedback controller consisting of a nominal controller and a robust compensator is designed. The robust compensator is introduced to restrain the influences of parametric uncertainties, nonlinearities and external disturbances. It is shown that robust stability and robust tracking property can be achieved simultaneously. Experimental results on the laboratory helicopter for automatic landing demonstrate the effectiveness of the designed control approach.     

无人直升机航向自抗扰控制

针对无人直升机系统航向通道扰动大等问题,本文设计了一种自抗扰控制算法来实现其高性能控制.首先分析了航向通道的动态模型,并通过数学变换,将其转化为一类二阶系统;在此基础上,本文设计了适用于无人机航向通道的自抗扰控制策略,它由跟踪微分器、扩展状态观测器、控制器3个环节构成.本文对所设计的自抗扰控制策略进行了仿真和实验测试,并与常见的串级控制方法进行了对比分析.仿真与实验结果表明:这种自抗扰控制策略具有对扰动抑制能力强、控制精度高等优点,其控制性能明显优于常规的串级比例–积分–微分控制方法.     

Nonlinear robust control of a small-scale helicopter on a test bench

A nonlinear robust controller design procedure is presented, which is designed to simultaneously satisfy multiple conflicting closed-loop performance specifications. Significantly, a robust performance specification for the experimental system, developed for studying the attitude control of a small-scale helicopter in our previous work, is discussed quantitatively. The robust performance specifications and nominal multiple closed-loop performance specifications are conflicting. Use of the Convex Integrated Design (CID) method can provide, where feasible, a single closed-loop controller which satisfies a set of multiple conflicting performance specifications. However, the resultant controller has a complex form. Here, the standard CID method is extended to a more general control system framework to solve the conflicting simultaneous performance design problem. When compared with the standard CID design, the extended CID design procedure generates a relatively simple closed-loop controller. Finally, the synthesised controller is tested in simulation and is validated with an experimental small-scale test helicopter, demonstrating the performance of the proposed controller.     

具有输入输出约束的无人直升机预设性能安全跟踪控制

针对无人直升机姿态与高度系统存在未知外部干扰、输入饱和、姿态与高度约束等问题, 本文提出一种具 有输入输出约束的预设性能安全跟踪控制方法. 首先, 针对无人直升机的姿态与高度约束, 通过设计一类边界保护 算法, 构建了新的安全期望跟踪信号. 为了保证系统对于安全期望跟踪信号的跟踪性能, 将预设性能函数与边界保 护算法进行结合, 并对跟踪误差进行转换. 针对系统的输入饱和现象, 使用Sigmoid函数进行逼近; 同时, 针对饱和函 数的逼近误差与未知外部干扰构成的复合干扰, 采用参数自适应方法对其上界进行逼近. 然后, 结合反步控制方法 设计了安全跟踪控制器, 并通过Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统所有信号的收敛性, 保证了无人直升机的安全 跟踪性能. 最终, 通过数值仿真验证了所提控制方法的有效性.     

小型无人直升机的无模型自适应鲁棒控制设计

本文针对小型无人直升机的姿态控制问题,考虑到现有基于模型的控制方法对系统动力学模型的依赖性,以及未建模动态对系统控制性能的影响,设计了一种新的基于数据驱动的无模型自适应鲁棒控制律.通过基于数据驱动的设计方法,降低了控制器对直升机动力学模型先验知识的依赖,补偿了未建模不确定性的影响.仅利用无人直升机的输入输出数据,即可实现对无人直升机系统的稳定姿态控制.然后本文结合离散滑模控制设计,补偿了未知外界扰动的影响,提高了系统的鲁棒性,并通过理论证明了控制误差的收敛性和闭环系统的稳定性.最后,在本研究组自主开发的无人直升机飞行控制实验平台上,进行了无人机实时控制实验.实验结果表明,本文所提出的控制算法取得了很好的姿态控制效果,并对系统不确定性和外界风扰动具有良好的鲁棒性.     

干扰下的无人直升机自适应反步法鲁棒跟踪控制

针对无人直升机干扰下的鲁棒轨迹跟踪问题,设计了一种自适应反步控制方法.鉴于作用在直升机上的干扰是产生跟踪误差的主要原因,该方法的主要思想是寻求一种方法来补偿这种干扰.首先,将未建模动态如外部阵风干扰、配平误差、机身、垂尾、平尾以及其他可忽略的动态产生的力和力矩看成一种组合干扰,从而建立了一个方便反步法控制器设计的简化模型.当设计好反步法控制器后,设计了一个非线性自适应律来估计这种组合干扰,并通过将干扰估计值整合到反步控制器中,使得闭环跟踪系统的鲁棒稳定性得到了保证,即基于李雅普诺夫稳定性理论证明了所设的控制器对于干扰主动阻隔,特别是低频干扰的主动阻隔是有效的.最后,两个仿真研究验证了该方法是优于常规反步法和积分反步法的.     

小型无人直升机浸入–不变集自适应控制

本文基于浸入–不变集理论,针对小型无人直升机存在的参数不确定性问题,设计一种新型的自适应控制器.利用基于Lyapunov的分析方法和La Salle不变性原理,进行闭环系统的稳定性分析,确保无人直升机姿态角的跟踪误差全局渐进收敛,以及闭环系统的稳定性.在无人直升机姿态飞行控制实验平台上,进行了无人机姿态跟踪控制实验.实验结果表明,本文所提出的控制方法具有良好的跟踪控制效果.     

无人直升机基于视觉的静止点目标跟踪*

针对带有摄像机的直升机进行静止点目标跟踪的情况,提出了一种层级控制器。该控制器共有三个回路：内回路采用四个独立的PD控制器控制直升机的高度和姿态;中间回路利用两个Mamdani型模糊控制器控制直升机的位置;外回路利用视觉反馈获得直升机下一步的期望位置,其不需要已知摄像机的内参数和平移外参数以及目标点的坐标,只需已知粗略标定的旋转外参数。仿真结果表明了该控制器的可行性。     

System identification and improved internal model control for yaw of unmanned helicopter

The sea breeze is a low-frequency disturbance that severely damages the stability of small unmanned helicopters operating over the sea, especially for the yaw control, which is highly sensitive to disturbance. General internal model control is an appropriate method for dealing with this kind of operation conditions, whereas conventional internal model control cannot eliminate the tracking errors between a nominal model and a real model. In coping with unknown dynamics and low-frequency gust disturbances for small helicopters, this paper proposes a novel robust controller constructed with system identification and integrator-based improved general internal model. As a refinement of the conventional frame, the proposed control scheme extends the applicable scope of a controlled plant from a priori known dynamic to an unknown dynamic. Furthermore, under the proposed controller, it is guaranteed that the tracking error between the actual model and the nominal model converges to zero asymptotically. Finally, the effectiveness and advantage of the proposed control scheme are verified through comparative practical flight tests.     

遥控模型直升机分通道模型辨识方法研究

设计了嵌入式控制系统,研究了小型遥控直升飞机在悬停状态的模型辨识方法.按照遥控直升机的4个控制输入(纵向周期变距、横向周期变距、总距、以及尾距),直升机的运动可分解为俯仰、倾斜、升降和航向4个通道,分别采用分通道飞行实验数据,通过Matlab辨识工具,得到了遥控直升机在悬停状态下各通道的单榆入单输出控制模型.飞行实验数据的验证结果表明,分通道数学模型可以很好地反映相应通道的动态特性,对实现遥控直升机自动驾驶控制具有重要的应用价值.     

适应扰动的无人直升机姿态跟踪控制

无人直升机在实际飞行过程中,会受到阵风等外界因素的干扰,并且模型不确定性也会对控制效果带来不利影响.为应对这些挑战,本文设计了一种基于扩张状态观测器的自抗扰反步控制器.首先,建立了无人直升机姿态动力学模型.随后,引入扩张状态观测器,用以实时观测由外界扰动和模型不确定性组成的总和扰动.观测得到的总和扰动估计值与基于Lyapunov函数的反步法控制器控制算法相结合,用以消除总和扰动的影响,使得无人直升机在各种飞行条件下均能对运动指令进行快速和准确的跟踪.最后,仿真研究和飞行实验验证了该控制律的有效性.与同等条件下的PID控制器相比,该控制律表现出更优的飞行性能.     

无人直升机嵌入式控制系统的实现

基于AT91RM9200(ARM)微型控制器,结合适当的外围设备,构建了一个高集成度的嵌入式系统,实现微型无人直升机的飞行控制.在μC/OS-Ⅱ操作系统环境下,详细介绍了软件系统的总体结构和任务之间的切换过程.最后,针对直升机的姿态和位置控制,分别给出了适当的控制策略.