Fixed-time backstepping distributed cooperative control for multiple unmanned aerial vehicles

This paper proposes a fixed-time backstepping distributed cooperative control scheme based on fixed-time extended state observer (FxTESO) for multiple unmanned aerial vehicles (UAVs). A fixed-time ESO, which is convergent independently of initial conditions, is designed to estimate and compensate the external disturbances in tracking process. Moreover, to eliminate the “explosion of complexity” in the traditional backstepping architecture, a nonlinear first-order filter is adopted to construct the distributed fixed-time control scheme. Based on the local information of neighboring UAVs, a fixed-time backstepping cooperative controller is designed. The proposed formation algorithm can be shown practicable for the UAV control system by using of Lyapunov stability theory and graph theory. Simulation results are given to demonstrate the effectiveness of the proposed control scheme.     

考虑误差补偿的柔性关节机械臂命令滤波反步控制

针对柔性关节机械臂在运动过程中易产生振动,使力和位置等控制精度难以保证等问题,提出了一种改进的命令滤波反步控制方法.首先,采用二阶命令滤波器得到反步控制方法中所需的虚拟控制函数及其导数,避免了对虚拟控制函数的多阶求导所导致的计算爆炸问题.随后,为了消除引入命令滤波器所产生的滤波误差,设计了滤波误差补偿机制,并基于李雅普诺夫稳定性理论证明了该策略可保证闭环跟踪误差系统的稳定性.最后,针对单关节柔性机械臂进行MATLAB仿真,证明了该方法的有效性.实验结果表明,加入滤波误差补偿后,跟踪精度提高了12.7%,滤波误差明显减少.     

用于清洗绝缘子的四旋翼无人机抗回冲力控制

本文主要针对利用四旋翼无人机清洗绝缘子时受到的回冲力干扰及姿态控制问题,提出了一种用于清洗绝缘子的无人机抗回冲力控制方法.对于无人机系统,本文运用非线性控制方法中的反步法来设计姿态控制器,使其达到输入状态稳定,并对外部扰动具有鲁棒性.本文首先根据无人机运动模型建立了其动力学方程.之后,运用动量定理和流体力学中的伯努利方...     

Pareto optimum design of an adaptive robust backstepping controller for an unmanned aerial vehicle

This research develops an adaptive robust backstepping (AR-backstepping) controller for stabilization of an unmanned aerial vehicle (UAV) having strong coupling and highly nonlinear dynamics. At first, the backstepping control method as the basic stabilizer is utilized to determine the control efforts of the considered UAV. Next, an adaptive-robust mechanism subject to gradient decent methods and sliding surfaces is implemented to regulate the control gains. In fact, this mechanism determines the speed of changes of the gain values of the backstepping controller to make better responses in the presence of disturbances and uncertainties. Then, the optimum values of the design parameters related to the adaptive-robust mechanism are selected by using a multi-objective ant-lion optimization (MOALO) algorithm to simultaneously minimize the total error and control efforts. Finally, the results for a UAV developed in the Sirjan University of Technology, Sirjan, Iran, are given to confirm the effectiveness, robustness, and advantages of the designed AR-backstepping controller.     

A backstepping controller for path‐tracking of an underactuated autonomous airship

In this paper we propose a nonlinear control approach for the path‐tracking of an autonomous underactuated airship. A backstepping controller is designed from the airship nonlinear dynamic model including wind disturbances, and further enhanced to consider actuators saturation. Control implementation issues related to airship underactuation are also addressed, namely control allocation and an attitude reference shaping to obtain a faster error correction with smoother input requests. The results obtained demonstrate the capacity of an underactuated unmanned airship to execute a realistic mission including vertical take‐off and landing, stabilization and path‐tracking, in the presence of wind disturbances, with a single robust control law. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Nonlinear path-following method for fixed-wing unmanned aerial vehicles

A path-following method for fixed-wing unmanned aerial vehicles(UAVs) is presented in this paper.This method consists of an outer guidance loop and an inner control loop.The guidance law relies on the idea of tracking a virtual target.The motion of the virtual target is explicitly specified.The main advantage of this guidance law is that it considers the maneuvering ability of the aircraft.The aircraft can asymptotically approach the defined path with smooth movements.Meanwhile,the aircraft can anticipate the upcoming transition of the flight path.Moreover,the inner adaptive flight control loop based on attractive manifolds can follow the command generated by the outer guidance loop.This adaptive control law introduces a first-order filter to avoid solving the partial differential equation in the immersion and invariance adaptive control.The performance of the proposed path-following method is validated by the numerical simulation.     

输入有约束时的飞翼布局无人机姿态控制

针对大展弦比飞翼布局无人机的刚体运动与弹性运动耦合动力学模型,研究了输入有约束时的无人机姿态控制问题,提出了一种采用扩张状态观测器的反步滑模控制方法.首先,采用扩张状态观测器实时估计气动弹性模态和外界未知干扰的影响,并引入跟踪微分器避免了控制律中项数膨胀问题.然后,针对飞翼布局无人机多操纵面的配置和输入约束,给出了基于LMI的在线舵面分配算法.最后,针对指令滤波和输入约束情况下控制指令的滞后问题,设计了辅助补偿器对控制指令进行补偿.根据Lyapunov稳定性理论证明了该控制方法能够保证姿态跟踪误差收敛至有界,仿真表明存在复合干扰和输入约束时该方法具有良好的姿态跟踪性能.     

形状记忆合金驱动器的自适应滑模反步控制

形状记忆合金(SMA)作为一种智能材料,相对于传统的驱动器具有功率重量比大、驱动电压低、质量轻、干净、无噪音等特性,被广泛应用在各领域.然而,非线性、迟滞、时变等因素影响了形状记忆合金的控制精度,限制了它的应用.为此,本文提出了自适应滑模反步控制方法,用于解决精确控制问题.文中首先搭建了实验装置,建立了形状记忆合金的机理模型;然后,采用最小二乘算法辨识了模型参数;最后,基于机理模型设计了自适应滑模反步控制器.实验结果表明,本文提出的方法具有动态响应快、跟踪精度高和抗干扰能力强的特性.     

用于无人机室内导航的光流与地标融合方法

针对小型无人机在无卫星导航信号条件下的导航问题,结合光流及地标定位设计了使用摄像头、惯性测量器件、超声测距仪等传感器融合的无人机室内导航方法.文章使用补偿角速率的光流微分法计算帧间像素点小位移,并用前后误差算法提取精度较高的点,避免像素点跟踪错误,提高了光流测速的精度;对得到的光流场用均值漂移算法进行寻优,得到光流场直方图峰值,以此计算光流速度.本文提出了无累积误差的连续地标定位算法,实时测量无人机位置.通过多速率卡尔曼滤波器对观测周期不一致的位置、速度信息进行最优估计.在搭建的八旋翼无人机平台上试验,将位置与速度测量结果分别与激光和PX4FLOW数据对比,结果表明该导航方法可以有效抑制定位跳变与光流测量噪声误差,给出精确的位置与速度估计.     

平面四旋翼无人飞行器运送系统的轨迹规划与跟踪控制器设计

对于四旋翼无人飞行器运送系统而言,需要保证飞行过程中负载的摆幅维持在适当的范围内,并且在飞行器到达目的地后负载无残余摆动.本文针对四旋翼无人飞行器运送系统,提出了一种新颖的轨迹规划与跟踪控制方法.论文首先得到了平面四旋翼无人飞行器的运动特性与负载摆角之间的非线性耦合关系.通过相平面内的几何分析,分别设计了两个轴方向上的分段式加速度轨迹.这种轨迹具有简洁的解析表达式并可获得较高的运送效率,同时满足飞行器的速度,加速度等物理约束.为了使四旋翼无人飞行器准确跟踪规划好的轨迹,本文基于反步法设计了一种非线性跟踪控制器,并通过李雅普诺夫方法对其闭环稳定性进行分析,证明其能使跟踪误差指数收敛于零.论文最后通过仿真结果验证了本文所提出方法的可行性与有效性,及其对外界干扰的鲁棒性.     

无人机吊挂飞行的非线性控制方法设计

针对四旋翼无人机吊挂飞行系统,本文设计了一种新型控制策略.本文首先建立了四旋翼无人机吊挂系统的数学模型.其中负载被看作由刚性绳悬挂在四旋翼无人机重心位置的质点.之后本文通过能量分析的方法设计了针对此系统的非线性控制器.本文提出的控制方法可以在抑制吊挂负载摆动的同时将四旋翼无人机移动到目标位置.本文运用李雅普诺夫稳定性分析和拉塞尔不变性原理对闭环系统的稳定性进行了证明.最后,通过数值仿真,分别将本控制器镇定控制和调节控制的控制效果与线性二次调节器(linear-quadratic regulator,LQR)控制器进行了对比.     

四旋翼飞行器的自抗扰飞行控制方法

针对四旋翼飞行器参数不确定性和外部干扰敏感的问题,本文提出一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法.在为期望姿态和高度安排过渡过程的基础上,设计了扩张状态观测器对内扰和外扰进行估计并实时补偿,能够很好地克服飞行器的强耦合性、模型不确定性以及风速变化等外部干扰问题.此外本文还设计了非线性状态误差反馈控制律来有效抑制跟踪误差.在仿真平台上对自抗扰控制系统进行稳定控制、姿态跟踪、高度控制、抗扰性及鲁棒性实验,并与串级PID控制系统进行定量对比分析.仿真结果表明,本文所设计的自抗扰控制器不仅能够很好地估计并补偿系统所受内外部干扰,而且对四旋翼飞行器参数的不确定性具有较强的鲁棒性,能够满足飞行器姿态调节快速和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于串级PID控制器.     

发电机的非线性自适应逆推综合控制

发电机励磁和汽门系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合、不确定复杂系统,其综合控制将会改善电力系统稳定性和动态品质,所以设计简单、有效的综合控制器既必要又困难.针对单机无穷大励磁与汽门系统,运用自适应逆推方法和系统的Lyapunov函数,获得了发电机的非线性综合控制器和参数替换律,文中给出了该控制器的具体设计步骤.由于在控制器设计中没有运用任何线性化方法,因而所得控制器充分利用了系统的非线性特性;同时考虑了发电机阻尼系数的不确定性,使得控制器对系统参数的变化具有很强的鲁棒性.数字仿真结果表明,所设计的控制器具有鲁棒性,并可有效地提高电力系统的稳定性.     

基于非线性干扰观测器的高超声速飞行器滑模反演控制

针对高超声速飞行器非线性、强耦合和参数不确定弹性体模型,提出了一种基于非线性干扰观测器的滑模反演控制方法.将飞行器曲线拟合模型分解为速度子系统和高度相关子系统并表示为严格反馈形式,分别采用滑模和反演方法设计实际控制量与虚拟控制量.采用1阶低通滤波器获取虚拟控制量的导数,解决了传统反演控制方法"微分项膨胀"问题.基于改进滑模微分器设计了一种新型非线性干扰观测器,以此对模型不确定项进行估计和补偿.仿真结果表明,该控制器对模型不确定性和气动弹性影响具有鲁棒性,且实现了对速度和高度参考输入的稳定跟踪.     

欠驱动无人水下航行器三维轨迹跟踪的反步控制

针对欠驱动无人水下航行器(underactuated unmanned underwater vehicles,UUVs)三维轨迹跟踪控制问题,本文有别于传统反步法中基于视线法设计姿态角误差变量的思路,提出了一种定义虚拟速度误差变量的反步控制器设计方法,能够有效避免传统反步法控制律设计时存在的奇异值问题,简化了传统反步法复杂的计算过程;设计了欠驱动UUV的三维轨迹跟踪控制器,给出了系统的误差方程,基于Lyapunov稳定性理论证明了系统在定常外界扰动下的鲁棒性和稳定性;仿真结果表明本文提出的UUV三维轨迹跟踪反步控制方法收敛、有效,能够实现欠驱动UUV对时变三维轨迹的精确跟踪控制.     

位置和速度受限的微型无人直升机轨迹跟踪控制器

针对微型无人直升机在狭窄空间中的轨迹跟踪问题,设计了一种可以限制直升机位置和速度的跟踪控制器.首先将直升机的模型简化为一个未建模的动态模型.基于简化模型利用受限反步法设计控制器,其中在位置控制回路用障碍李雅普诺夫函数代替传统的纯二次型李雅普诺夫函数,以此来限制直升机的位置和速度;用指令滤波器对反步过程中虚拟控制的导数进行估计,避免了复杂的解析计算.此外,将未建模动态和指令滤波器误差合并成有界扰动项,并设计了自适应算法对扰动的上界进行估计和补偿.稳定性分析证明了直升机的闭环跟踪误差最终一致有界,且位置和速度始终位于预设的限制集合中.仿真结果验证了该控制器的有效性.     

基于方位信息的无人机编队控制设计与验证

本文主要研究了无人机编队的抗扰跟踪控制设计. 针对各无人机只能获取邻机方位信息的情况, 文章设计了一种新的非线性控制器以完成多无人机系统的编队形成与跟踪任务. 考虑到无人机系统易受外界扰动影响的特性, 采用Leader-Follower式编队方法, 通过引入Leader位置信息来矫正基于方位信息的无人机编队系统的位置漂移.将反步法设计结合自适应设计与鲁棒控制设计, 来补偿未知参数与未知外界扰动对多无人机编队系统造成的影响,提高了多无人机方位编队系统的鲁棒性. 然后, 基于Lyapunov分析方法证明了系统的稳定性. 最后, 搭建了四旋翼无人机编队实验平台, 进行了基于方位信息的编队形成与跟踪飞行实验, 并与PD控制器进行了对比实验. 飞行实验结果验证了算法的有效性与实用性.     

基于同步的多旋翼无人机非线性模型自适应参数辨识

针对多旋翼无人机的非线性模型,提出了一种基于同步理论的自适应参数辨识方法.其主要思想是通过设计一种"从系统",在实现状态与原有非线性系统同步的同时,设计自适应更新律,使得对参数的估计收敛到真值.所提方法能够适用于以非线性形式存在的参数,其渐近稳定性由李雅普诺夫方法和拉塞尔不变性原理予以证明.仿真实例可以验证,合理选择自适应增益,即便真值发生突变,所提方法也能保证估计值快速收敛到最新的真值.     

Dynamical adaptive integral backstepping variable structure controller design for uncertain systems and experimental application

In this study, a dynamical adaptive integral backstepping variable structure control (DAIBVSC) system based on the Lyapunov stability theorem is proposed for the trajectory tracking control of a nonlinear uncertain mechatronic system with disturbances. In this control scheme, no prior knowledge is required on the uncertain parameters and disturbances because it is estimated by two types of dynamical adaptive laws. These adaptive laws are integrated into the dynamical adaptive integral backstepping control and variable structure control (VSC) parts of the DAIBVSC. The dynamical adaptive law in the dynamical adaptive integral backstepping control part updates parametric uncertainties, while the other in the VSC part adapts upper bounds of non‐parametric uncertainties and disturbances. In order to achieve a more robust output tracking and better parameter adaptation, the control system is extended by one integrator and sliding surface is augmented by an integral action. Experimental evaluation of the DAIBVSC is conducted with respect to performance and robustness to parametric uncertainties. Experimental results of the DAIBVSC are compared with those of a traditional VSC. The proposed DAIBVSC exhibits satisfactory output tracking performance, good estimation of the uncertain parameters and can reject disturbances with a chattering free control law. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

舰载无人机着舰轨迹跟踪鲁棒控制器设计

为确保舰载无人机着舰阶段精确地跟踪下滑轨迹,并且在稳态性能基础上具有更好的瞬态性能,本文在新的等效误差模型的基础上提出了受限指令预设性能控制律设计方法.首先考虑了舵面受限和角速率受限等实际工程问题,引入受限指令滤波方法,然后综合考虑建模误差和外界扰动,引入了连续的双曲正切函数对饱和函数进行近似,并设计了自适应律对模型未知参数进行估计,最后引入了预设性能方法对着舰的瞬态性能进行了重点分析.通过理论推导和仿真验证,证明了本文提出的方法在复杂着舰环境下有较好的瞬态性能和较好的鲁棒性.