具有执行器故障的四旋翼无人机有限时间容错控制

本文主要研究了四旋翼无人机在外部干扰、执行器存在部分失效和偏置故障并发情况下有限时间轨迹跟踪的控制问题. 通过分析四旋翼无人机动力学特性, 构建了带有外部干扰、执行器机构故障的动力学模型. 基于鲁棒全局快速终端滑模控制算法, 设计了一种有限时间容错控制器, 提高了系统对故障的响应速度. 其次, 针对常值/时变故障和干扰,在控制器设计中采用改进的连续函数进行补偿, 减少了由切换函数引起的系统抖振, 并基于Lyapunov函数对控制器的稳定性进行了分析. 最后, 通过仿真实验验证了所设计控制器的有效性和可靠性, 同时存在执行器故障和外部干扰的情况下, 无人机能够实现较好的轨迹跟踪性能.     

基于滑模控制的卫星姿态控制算法研究

针对卫星姿态控制系统存在外部扰动和执行器故障的情况下,提出一种基于非线性观测器技术和滑模控制理论的容错控制器设计方案。首先,建立含有外部扰动和执行器故障的刚体卫星姿态控制系统运动学方程和动力学方程。然后,通过非线性干扰观测器估计系统中的未知故障,进而利用故障信息基于滑模控制策略设计容错控制器。通过Lyapunov函数证明闭环姿态控制系统的稳定性。最后通过数值仿真验证该容错控制方案的鲁棒性和可行性。     

具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制

为了解决四旋翼无人机飞行过程中的姿态控制问题,考虑受到执行器输入约束和外界未知扰动影响,设计了一种具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制方法;设计简化的四旋翼无人机姿态动力学模型,降低控制器设计的复杂程度,设计带有输入约束的控制器,模拟饱和输入现象,实现饱和输入下的四旋翼姿态稳定控制;设计风扰观测器,实现对外部未知扰动的估计,有效跟踪外部持续扰动,并由此设计扰动补偿律;围绕代价函数设计带有扰动补偿律的最优控制律,作用于四旋翼姿态系统,实现四旋翼无人机姿态的稳定控制;最后进行数值仿真,设置风扰观测器参数λi为0.25,预测时域Np为10,控制时域Nc为9,仿真测试本文方法与不带观测器的非线性预测控制方法（NMPC）,验证本文控制方法的有效性和优越性。     

3自由度旋翼飞行机械臂系统动力学建模与预测控制方法

旋翼飞行机械臂(rotorcraft aerial manipulator,RAM)系统是安装在飞行机器人上的可操作型机械臂,悬停模式下执行准确的空中操作时旋翼无人机与所加机械臂之间存在相对扰动,通过分离机械臂与飞行机器人进行动力学建模并不能有效消除这种扰动.本文基于对相互扰动力学作用的分析建立整体动力学模型,并在悬停飞行模式下将其简化为线性控制参考模型.进而对旋翼系统控制延时所引起的动力学扰动进行补偿,同时设计预测控制器来消除末端执行器的位置和姿态误差.最后,在存在内部和外部扰动的情况下,设定销钉插入操作任务进行控制方法的对比仿真.末端执行器位姿偏差的仿真结果表明了模型结构与控制方法的有效性.     

基于神经网络的无人机姿态自适应控制仿真

针对四旋翼无人机姿态控制中模型不完整、部分参数和扰动不确定的问题,提出了一种基于神经网络的自适应控制方法,采用RBF神经网络对无人机姿态动力学模型中不确定和扰动部分进行学习,设计了以类反步法为基础,包含反馈控制和神经网络控制的自适应控制器,实现了对未知动态的准确逼近,解决了传统控制方法中过于依赖精确模型的问题。同时设计了神经网络的权值自适应律,实现了控制过程中的在线学习和调整,并且通过李雅普诺夫方法证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明,在存在较大扰动的情况下,上述控制器可得到很好的控制效果,可以实现误差的快速收敛,具有较好的鲁棒性和自适应性。     

四旋翼无人机参数预测和抗扰动自适应轨迹跟踪控制

为了降低外界环境对四旋翼无人机飞行轨迹的扰动性,提高无人机的控制精度,提出1种基于滑模控制的四旋翼无人机参数预测和抗扰动的自适应轨迹跟踪控制器。这种控制器对四旋翼无人机系统的不确定状态参数、气流、风阻和执行器故障等外界扰动进行预测,实现了对系统输入的状态补偿和扰动补偿,提高了无人机的轨迹跟踪效率和抗扰动能力,消除了机体在飞行过程中的抖振现象,提高了无人机系统对环境的适应性和控制器的稳定性。通过仿真实验,分析了四旋翼无人机在不同控制器作用下的轨迹跟踪性能曲线,验证了所提出的控制器的优越性和有效性。     

输入饱和与姿态受限的四旋翼无人机反步姿态控制

本文针对四旋翼无人机研究了鲁棒反步姿态控制策略.由于四旋翼无人机结构复杂,其非线性数学模型难以精确建立,因此在控制器设计过程中需要综合考虑模型不确定性、未知外部干扰、输入饱和以及姿态受限等因素.针对模型中的不确定项,使用神经网络进行逼近;对于外部未知干扰,使用非线性干扰观测器进行补偿;使用双曲正切函数逼近饱和函数,解决输入饱和问题;同时使用界限Lyapunov函数设计控制器,确保姿态满足限制条件.最后,设计四旋翼无人机反步姿态控制器,并根据Lyapunov稳定性定理证明了闭环控制系统的有界稳定.仿真结果表明了所研究控制方法的有效性.     

四旋翼无人机的多模型故障诊断

四旋翼无人机是一个强耦合非线性被控对象,准确地判断故障情况,并及时调整控制器参数对无人机的安全飞行具有重要的意义。针对四旋翼无人机的执行器部分失效故障,提出了一种多模型在线故障诊断方法。该方法根据不同故障模式建立故障模型集,通过模型集的并联运行对无人机工作模式进行在线监测。仿真结果表明,对于单旋翼执行器部分失效故障,该方法能够快速准确地获得故障模型参数。     

四旋翼无人机的偏航抗饱和与多模式PID控制

四旋翼无人机偏航运动能力比俯仰、滚转运动能力弱,因此在偏航运动上更容易出现执行器饱和.特别在外界干扰下,偏航常常出现饱和现象,对此从实际工程出发提出了一种多模式PID(MMPID)控制器,抑制偏航饱和,并保证在外界干扰情况下具有较好的偏航控制性能.首先,根据四旋翼无人机的动力学模型,设计了基于MMPID的偏航控制器.MMPID算法具有多模式特性,在满足一定条件时采取退饱和控制策略.其次,利用李亚普诺夫稳定理论证明了基于MMPID的偏航控制系统的稳定性.最后,通过四旋翼无人机偏航仿真实验比较了MMPID与变结构PID算法的抗饱和性能与偏航控制性能,结果表明MMPID算法具有明显的控制性能优越性.并且,通过四旋翼原型机实验验证了MMPID偏航控制器的有效性和鲁棒性.实验结果表明:在室内无干扰情况下,基于MMPID的偏航系统基本无执行器饱和现象,最终偏航角误差收敛到±0.05 rad;在室内加入干扰情况下,执行器退出饱和时间约10 s,偏航角误差收敛到±0.08 rad;在室外,偏航退饱和时间约5 s,偏航误差收敛到±0.13 rad.MMPID控制器有效地抑制了四旋翼无人机偏航运动上的执行器饱和,并可实现准确的偏航姿态控制和强鲁棒性.     

倾转式三旋翼无人机的自适应鲁棒容错控制

本文针对受到外界未知扰动和模型不确定性影响的倾转式三旋翼无人机,研究了其在尾部舵机发生堵塞故障时的容错控制问题.通过对倾转式三旋翼无人机姿态动力学特性的分析,将尾部舵机堵塞故障加入到力矩解算方程中.基于自适应反步法和非奇异终端滑模控制,提出了一种不需要故障诊断的鲁棒容错控制设计.利用基于Lyapunov的分析方法证明了闭环系统的稳定性,以及姿态误差的渐近收敛性质.通过在三旋翼无人机半实物仿真平台的实时实验以及与滑模控制器的对比,验证了该算法在无人机尾部舵机发生堵塞故障时,对姿态运动具有较好的控制效果.     

输入受限四旋翼飞行器的模糊自适应动态面轨迹跟踪控制

针对输入受限条件下四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和未知外界干扰的情况,提出一种模糊自适应动态面轨迹跟踪控制方法.该方法设计干扰观测器估计位置模型中复合扰动项,利用模糊系统逼近姿态模型中不确定项和外界干扰,并引入双曲正切函数和辅助系统处理输入受限问题,结合反演法和动态面技术设计轨迹跟踪控制器,以降低控制算法的复杂性,最后选取李雅普诺夫函数证明闭环系统所有信号一致最终有界.应用大疆M100飞行器模型进行仿真验证,结果表明所设计的控制器能够有效处理模型动态不确定和未知外界干扰问题,避免飞行器工作过程中因输入饱和导致执行器失效现象,精确地完成轨迹跟踪控制任务.     

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程对所受的回冲力进行建模.然后,运用反步法设计姿态控制器并证明其稳定性.最后,运用MATLAB对无人机系统进行仿真实验,其结果证明了文中所提出的控制方法的有效性和鲁棒性.本文所提出的控制方案可以避免目前已有的一些技术存在的缺陷,并且为无人机抗扰动控制和绝缘子冲洗都提供了发展空间.     

Retrofit fault‐tolerant tracking control design of an unmanned quadrotor helicopter considering actuator dynamics

This paper presents a retrofit fault‐tolerant tracking control (FTTC) design method with application to an unmanned quadrotor helicopter (UQH). The proposed retrofit fault‐tolerant tracking controller is developed to accommodate loss‐of‐effectiveness faults in the actuators of UQH. First, a state feedback tracking controller acting as the normal controller is designed to guarantee the stability and satisfactory performance of UQH in the absence of actuator faults, while actuator dynamics of UQH are also considered in the controller design. Then, a retrofit control mechanism with integration of an adaptive fault estimator and an adaptive fault compensator is devised against the adverse effects of actuator faults. Next, the proposed retrofit FTTC strategy, which is synthesized by the normal controller and an additional reconfigurable fault compensating mechanism, takes over the control of the faulty UQH to asymptotically stabilize the closed‐loop system with an acceptable performance degradation in the presence of actuator faults. Finally, both numerical simulations and practical experiments are conducted in order to demonstrate the effectiveness of the proposed FTTC methodology on the asymptotic convergence of tracking error for several combinations of loss‐of‐effectiveness faults in actuators.     

四旋翼无人机时延模糊自抗扰容错控制

针对四旋翼无人机系统执行器故障问题，为改善飞行控制系统性能，提出一种时延模糊自抗扰容错控制。首先，根据四旋翼无人机系统非线性数学模型和执行器故障模型，选择模糊自抗扰控制器作为基准控制器，在未发生执行器故障的情况下，使飞行控制系统保持稳定；其次，在发生执行器故障的情况下，利用时延控制技术估计故障信息，并与模糊自抗扰控制相结合，实现容错控制；最后，对所研究的容错控制算法进行数值仿真分析，仿真结果表明：把时延控制与模糊自抗扰控制相结合，能有效调节执行器故障，使飞行控制系统对故障产生的干扰具有良好的鲁棒性。     

基于固定时间扰动观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对六自由度小型四旋翼无人机在轨迹跟踪控制过程中,单一控制器构成的控制系统存在外部未知干扰,系统的鲁棒性以及轨迹跟踪精度容易产生较大的波动问题,该文章提出了一种基于固定时间扰动观测器的全闭环控制方案,即针对位置与姿态的双闭环控制;首先利用固定时间理论设计了两个扰动观测器,在固定时间内对扰动做出估计并进行补偿;在此观测器对扰动值的精确估计基础之上,设计了两个具有扰动补偿能力的非线性跟踪控制器;李雅普诺夫稳定性理论证明了所述方法的有效性;仿真实验中,为对比所述控制方法的有效性,同时采用传统单一控制器构成的无人机控制系统进行对比分析;在无人机质量为m=1.44 kg、环境重力加速度为g=9.8 m/s2以及其他模型参数一致的前提下,进行大量的仿真实验验证了所提出的基于固定时间扰动观测器的扰动补偿控制系统,能够保证小型四旋翼无人机六自由度受到复杂外部干扰时准确估计出外部干扰值,并实现无人机进行高精度轨迹跟踪控制,且轨迹跟踪精度与抗扰性能皆优于传统单一控制器构成的无人机控制系统.     

执行机构部分失效的挠性航天器多界依赖容错控制

针对挠性航天器在轨运行时受到的外部干扰,输入时滞以及执行机构部分失效问题,本文提出了一种基于不确定参数的鲁棒H_∞容错控制方法.首先,将执行机构部分失效容错控制问题转化为不确定参数的鲁棒控制问题.然后,设计了一个新型的多界依赖状态反馈鲁棒H_∞控制算法.此算法不仅依赖时滞积分不等式分割参数和时滞界信息,还依赖部分失效因子.因此,本文设计的控制器能同时实现对输入时滞的敏感,对部分失效故障的容错及对外部干扰的抑制.最后,通过一系列的仿真验证本文方法的有效性.     

四旋翼无人机PDF控制系统设计和抗干扰分析

针对传统的PID控制方法在对四旋翼无人机进行控制时动态响应差,抗干扰能力低等局限性,不能够满足高精度要求的四旋翼无人机应用场合的问题。本文以四旋翼无人机的姿态控制为研究对象,通过采用基于伪微分反馈(PDF)控制策略来设计其飞行控制器,以提高动态响应性能和抗干扰能力。在对四旋翼无人机数学建模的基础上,将PDF控制策略引入到四旋翼姿态控制中,提出基于四旋翼无人机对象的PDF控制设计方法,并分别完成PID、PDF控制器的设计和动态仿真。通过对仿真结果比较、分析表明PDF控制与PID姿态控制器相比,系统超调量小,具有更好的鲁棒性和抗干扰能力。