四旋翼飞行器的轨迹跟踪抗干扰控制

针对四旋翼飞行器轨迹跟踪问题中系统存在模型不确定和易受到外界扰动的情况,提出了基于切换函数的扩张状态观测器设计方法来对系统中的扰动进行估计,并将估计值与滑模控制器的设计相结合,实现了对系统中非匹配不确定性和匹配不确定性的抑制且实现了系统跟踪误差的一致最终有界.首先,根据变量间的耦合关系将飞行器系统模型分解为两个子系统模型,设计扩张状态观测器对子系统中的非匹配不确定性进行估计,并将估计值作为变量加入到切换函数的设计中;进而基于切换函数设计扩张状态观测器以估计经切换函数重构系统中的扰动,并在控制器中对扰动进行补偿.最后通过李雅普诺夫理论证明了控制系统的稳定性.通过仿真验证了本文提出的方法能够有效实现飞行器轨迹跟踪控制且能够抑止传统滑模控制的抖振现象.     

具有输入死区与扰动的四旋翼无人机自抗扰控制

研究了具有输入死区与扰动的四旋翼无人机的姿态控制问题。由于输入死区普遍存在于四旋翼无人机的执行机构,并且易受到扰动的影响。针对具有输入死区与扰动的四旋翼无人机系统,设计基于自抗扰的动态面控制器。采用自抗扰控制算法设计扩张状态观测器估计系统的总扰动,采用动态面方法设计控制律。所设计的控制器使四旋翼无人机实现对期望姿态角跟踪。仿真结果验证了该方案的有效性。     

基于干扰观测器的四旋翼轨迹跟踪控制

针对四旋翼飞行器在外部气流扰动和内部模型参数摄动影响下的稳定轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于干扰观测器的动态面反演滑模控制算法.首先,在建立四旋翼飞行器模型的基础上,采用反演滑模控制设计轨迹跟踪控制律,保证所设计的控制器以指数收敛速率跟踪指令信号;然后,设计干扰观测器,在不改变原有控制器结构的基础上观测飞行器内部噪声扰...     

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.     

主动变形四旋翼自抗扰飞行控制方法

为了获得更好的环境适应性,研究设计了一种主动变形四旋翼飞行器.飞行器的变形主要分为两种:机臂伸缩和折叠.为抑制系统所受内外扰动影响,设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控制器.首先对主动变形四旋翼结构进行设计,使用牛顿欧拉法建立风扰下系统动力学模型,然后分析阵风对系统影响以及动态变形时重心位置、惯性张量等参数的变化,接着将主动变形四旋翼系统解耦成6个SISO系统的组合并设计位姿自抗扰控制器,最后分别利用扩张状态观测器和非线性状态误差反馈律对系统所受扰动进行观测和补偿.仿真结果表明,本文所设计的基于ADRC飞行控制器的主动变形四旋翼具有优秀的位姿控制能力,在飞行过程中可以良好地进行变形,能够有效地观测变形的扰动和紊流风扰,具有较强的稳定性和抗扰性,同时对系统部分动力失效故障有较强的鲁棒性.     

基于干扰观测器的四旋翼吊挂系统非线性控制北大核心

针对四旋翼吊挂系统负载部分易受干扰,影响四旋翼吊挂系统整体稳定性的问题,设计了干扰观测器观测负载所受干扰,并采用积分型反步法控制四旋翼吊挂系统。对吊挂负载与飞行器之间的受力情况进行分析,并用哈密尔顿原理和拉格朗日公式建立数学模型;为飞行器的姿态、位置,吊挂物摆角设计积分型反步法控制器并证明其稳定性,并针对负载易受干扰的问题为其设计干扰观测器补偿所受干扰。通过仿真证明,设计的控制方法对飞行器的位置及姿态控制效果较好,同时抑制吊挂物的摆动,且对干扰的鲁棒性较强。     

基于干扰抑制控制的飞行器姿态跟踪

本文针对飞行器姿态跟踪控制问题, 考虑系统的内部模型不确定性和外界扰动, 设计了使跟踪误差一致最终有界的控制器. 以四元数为姿态参数, 建立系统的非线性误差模型; 将控制系统分为内环观测器和外环控制器分别设计, 其中, 线性扩张状态观测器作为系统内环将实际系统补偿为标称模型, 而外环非线性控制器则用于镇定非线性标称系统. 最后, 利用Lyapunov理论得到了一致最终有界的稳定性结论, 并基于频域理论, 分析了线性扩张状态观测器阶次对系统性能的影响. 姿态跟踪实验表明, 本文设计的控制系统能够有效实现飞行器的姿态跟踪控制.     

基于PD-ADRC的四旋翼控制器设计

针对四旋翼无人机强耦合、非线性的控制难点,研究设计了一种基于自抗扰控制和比例微分控制的双闭环控制器。首先,分析了小型四旋翼飞行器动力学模型,确定四旋翼无人机的六自由度方程。然后,利用自抗扰控制技术对强耦合、非线性的姿态模型进行了解耦,设计扩张状态观测器对其总扰动进行观测与补偿。其次,设计比例微分控制器对解耦后的系统进行位置跟踪,从而与姿态控制器组成双闭环系统。最后,通过仿真及试飞实验测试系统性能。仿真和试飞结果表明该系统能够完成对控制指令的实时跟踪,并且对干扰具有极强的抑制力。     

固定翼无人机的自抗扰反步控制

针对固定翼无人机姿态和速度控制中系统存在模型不确定性和外界扰动的情况,本文设计了基于扩张状态观测器的反步控制器抑制系统扰动以提高无人机的控制性能.首先建立无人机速度误差模型和姿态误差模型,其中姿态误差模型采用四元数作为变量以避免欧拉角在描述姿态时存在的奇点问题和复杂三角运算;进而设计扩张状态观测器对系统中存在的扰动进行估计,并将扰动估计值与控制器设计相结合,分别设计出姿态控制器和速度控制器来抑制扰动的影响且使无人机姿态和速度收敛到期望值.最后基于李雅普诺夫理论证明系统的稳定性.仿真结果表明,本文所设计方法能够抑制系统中存在的扰动.     

推力矢量可倾转四旋翼自抗扰飞行控制方法

针对常规四旋翼难以实现位置和姿态独立控制问题, 研究了一种具有全向推力矢量的可倾转四旋翼飞行 器系统. 为克服系统的大范围不确定性、强耦合性及外部风扰影响, 设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控 制器. 通过建立风扰下的系统动力学模型, 分析阵风对旋翼气动力的影响. 接着将系统解耦为六通道单回路结构并 分别设计自抗扰控制器, 引入扩张状态观测器估计系统的内外扰动, 利用非线性状态误差反馈律输出扰动补偿控 制. 在此基础上, 通过变量代换线性化控制分配矩阵, 将控制器输出直接映射到旋翼转速和倾转角. 仿真结果表明, 所设计的自抗扰飞行控制器具有良好的位置和姿态独立控制能力, 能够有效地估计和补偿紊流风扰动, 同时对系统 的部分动力失效故障有较强的鲁棒性.     

Robust dynamic surface trajectory tracking control for a quadrotor UAV via extended state observer

In this paper, we present an extended state observer–based robust dynamic surface trajectory tracking controller for a quadrotor unmanned aerial vehicle subject to parametric uncertainties and external disturbances. First, the original cascaded dynamics of a quadrotor unmanned aerial vehicle is formulated in a strict form with lumped disturbances to facilitate the backstepping design. Second, based on the separate outer‐ and inner‐loop control methodologies, the extended state observers are constructed to online estimate the unmeasurable velocity states and lumped disturbances existed in translational and rotational dynamics, respectively. Third, to overcome the problem of “explosion of complexity” inherent in backstepping control, the technique of dynamic surface control is utilized for trajectory tracking and attitude stabilization, and with the velocity and disturbance estimates incorporated into the dynamic surface control, a robust dynamic surface flight controller that guarantees asymptotic tracking in the presence of lumped disturbances is synthesized. In addition, the stability analysis is given, showing that the present robust controller can ensure the ultimate boundedness of all signals in the closed‐loop system and make the tracking errors arbitrarily small. Finally, comparisons and extensive simulations under different flight scenarios are performed to validate the effectiveness and superiority of the proposed scheme in accurate tracking performance and enhanced antidisturbance capability.     

基于扩张状态观测器的UCAV自适应滑模控制

针对固定翼UCAV（Unmanned Combat Aerial Vehicle）系统中存在的不确定性和外部扰动，设计了一种基于扩张状态观测器的自适应超扭曲滑模控制器用来抑制系统扰动，从而提高对于UCAV的控制性能。建立固定翼UCAV的六自由度非线性模型，针对姿态控制和速度控制分别设计扩张状态观测器对模型中难以精确测量的状态量和外部扰动进行估计，依据奇异摄动原理分别对姿态和速度设计自适应超扭曲滑模控制器，实现对UCAV的姿态和速度的跟踪控制。采用某型固定翼UCAV非线性模型对所设计的控制器进行仿真验证，并且与传统的自抗扰滑模控制方法进行了对比，仿真结果表明，基于扩张状态观测器的自适应超扭曲滑模控制器具有更小的超调量和稳态误差。     

Time‐varying input delay compensation for nonlinear systems with additive disturbance: An output feedback approach

This paper addresses the output feedback tracking control of a class of multiple‐input and multiple‐output nonlinear systems subject to time‐varying input delay and additive bounded disturbances. Based on the backstepping design approach, an output feedback robust controller is proposed by integrating an extended state observer and a novel robust controller, which uses a desired trajectory‐based feedforward term to achieve an improved model compensation and a robust delay compensation feedback term based on the finite integral of the past control values to compensate for the time‐varying input delay. The extended state observer can simultaneously estimate the unmeasurable system states and the additive disturbances only with the output measurement and delayed control input. The proposed controller theoretically guarantees prescribed transient performance and steady‐state tracking accuracy in spite of the presence of time‐varying input delay and additive bounded disturbances based on Lyapunov stability analysis by using a Lyapunov‐Krasovskii functional. A specific study on a 2‐link robot manipulator is performed; based on the system model and the proposed design procedure, a suitable controller is developed, and comparative simulation results are obtained to demonstrate the effectiveness of the developed control scheme.     

输出误差约束下四旋翼无人机预定性能反步控制

针对外界干扰和输出误差约束条件下的四旋翼无人机的跟踪控制问题,提出预定性能反步跟踪控制策略.首先,将四旋翼无人机动力学模型转换为带有外界干扰的严反馈形式;然后,利用反步法设计控制器,通过引入障碍Lyapunov函数保证跟踪误差的预定性能,设计干扰观测器对外界干扰进行估计,并通过滤波器估计姿态子系统中部分虚拟控制输入的导...     

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。     

Backstepping Sliding Mode Trajectory Tracking via Extended State Observer for Quadrotors with Wind Disturbance

To overcome nonlinear, underactuated and external wind disturbances problems for the 6-DOF (degrees of freedom) quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) system, a backstepping sliding mode control algorithm based on high-order extended state observer (ESO) is proposed. Based on the hierarchical control principle, the quadrotor UAV dynamic system is decomposed into position subsystem and attitude subsystem to facilitate the backstepping control design. Moreover, the EXO is used to estimate the remaining unmeasurable states and the external wind disturbances online. The advantages of the controllers are that they can not only ensure good tracking performance, but also deal with uncertain external disturbances. To imitate the real situation as much as possible, the external wind disturbances are composed of four basic wind models in this paper. The tracking error and estimate error of the design methods are shown to arbitrarily small by using Lyapunov theory. Finally, the effectiveness and superiority of the proposed control algorithm are proved by the simulation.