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...     

输入受限下的无人机编队控制方法研究

针对多旋翼飞行器在轨迹跟踪过程中控制输入受限的问题，设计了一种控制输入受限下的四旋翼无人机协同编队分布式控制算法。首先，对于外环位置子系统，基于线性矩阵不等式的方法，设计了输入受限下的多旋翼飞行器的编队控制律，使得所有无人机的位置收敛到所需的编队模式。其次，对于内环姿态子系统，采用基于双曲正切的方法设计控制输入受限的控制律，使多无人机的姿态趋于一致。最后，基于Lyapunov稳定性理论，证明了系统的稳定性，仿真结果表明，所设计的控制器能够达到良好的协同跟踪控制效果。     

四旋翼无人机抗干扰轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪过程中存在的参数不确定与外界干扰问题,设计一种双闭环自适应控制策略.为了降低控制器设计复杂度,根据四旋翼无人机系统的欠驱动特性将系统分成姿态内环和位置外环.在扰动观测器的基础上,利用积分型反步控制算法完成无人机位置信息在外界干扰下的稳定跟踪控制.在扰动观测器的基础上,利用自适应滑模控制算法完成无...     

饱和输入下四旋翼无人机滑模轨迹跟踪控制

为解决四旋翼无人机在饱和输入下的轨迹跟踪控制问题,同时兼顾系统存在的参数不确定性和外部风力扰动影响,设计了一种改进的抗干扰自适应鲁棒滑模控制方法;基于六自由度架构,设计四旋翼无人机简化的系统模型,进而降低控制器设计的复杂程度;引入带有误差信号的滑模函数,设计带有误差信号的饱和补偿自适应控制律,同时增加鲁棒控制项,降低由于饱和输入问题带来的抖振影响,并减小参数不确定和外部风力扰动对系统稳定性的影响;系统模型与抗干扰自适应控制律相结合,形成了改进的抗干扰自适应鲁棒滑模控制策略,实现四旋翼无人机的位置轨迹和姿态轨迹的稳定跟踪;最后通过数值仿真与传统PD控制算法进行仿真比较,验证控制方法的有效性和优越性。     

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.     

基于模糊不确定观测器的四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性的四旋翼飞行器,提出了一种基于模糊不确定观测器（Fuzzy uncertainty observer,FUO）的自适应动态面轨迹跟踪控制方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、姿态角和角速率三个动态子系统,使得各子系统虚拟控制器能够充分考虑欠驱动约束;采用一阶低通滤波器重构虚拟控制信号及其一阶导数,实现四旋翼跟踪控制设计的迭代解耦;设计了一种模糊不确定观测器,用以估计和补偿未知外界扰动与系统不确定性,从而确保闭环系统的稳定性和跟踪误差与其他系统信号的一致有界性.仿真研究验证了所提出的控制方法的有效性和优越性.     

四旋翼飞行器固定时间自适应轨迹跟踪控制

针对具有外部扰动和不确定性的四旋翼飞行器,提出了基于命令滤波反步法的固定时间自适应轨迹跟踪控制方案。首先,将四旋翼飞行器分解为姿态子系统和位置子系统,分别利用固定时间命令滤波技术、反步设计方法及分数次幂误差补偿机制设计姿态控制器及位置控制器。其次,结合固定时间Lyapunov稳定性理论,证明了闭环系统的所有信号是固定时间有界的,同时姿态和位置跟踪误差在固定时间内收敛到原点附近的充分小邻域内,且收敛时间的上界独立于四旋翼飞行器初始状态。最后,通过仿真算例验证了所提固定时间控制算法的有效性。     

基于扩张状态观测器的四旋翼无人机快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制

针对受多源干扰影响的四旋翼无人机系统的轨迹跟踪控制问题进行研究,充分考虑位置回路和姿态回路动态特性,提出一种全回路复合快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制方案.首先,通过变换将轨迹跟踪问题转化为位置回路和姿态回路的指令跟踪控制问题;然后,将各通道之间的耦合以及多源干扰影响视作集总干扰,并基于扩张状态观测器对其进行估计;接着,基于干扰估计信息和快速非奇异终端滑模控制算法,分别在位置回路和姿态回路构造复合快速非奇异终端滑模控制器;最后,基于位置回路和姿态回路虚拟控制量解得无人机真实控制量旋翼转速.仿真结果表明,所提出控制方案显著提升了四旋翼无人机轨迹跟踪的响应速度和抗干扰性能.     

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.     

四旋翼飞行器自适应滑模控制设计

针对四旋翼飞行器姿态模型建模误差以及外部扰动不确定性的特点,提出了一种基于自适应滑模的非线性控制器。采用参数自适应控制方法逼近系统中的建模误差项,滑模控制方法进一步抵消系统建模误差以及外部不确定扰动项。并采用李雅普诺夫稳定法证明了所设计的控制器能够实现全局渐近稳定。最后,通过四旋翼姿态飞行实验,验证了文中所提出控制方法的有效性,能够实现小型四旋翼姿态的稳定控制,其抗扰性能优于传统PID控制。     

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.     

Adaptive fractional-order nonsingular fast terminal sliding mode formation control of multiple quadrotor UAVs-based distributed estimator

This paper mainly solves two major problems that are unavoidable in leader–follower formation process of quadrotor UAV group: the existence of external uncertainty disturbance and communication limited between quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) group. To solve the problem that only one of the followers in the leader–follower formation can obtain the leader's information, an improved distributed estimator is proposed in this paper, which can accurately estimate the leader's information for each follower. In addition, in order to eliminate the influence of uncertain external disturbance on the performance of quadrotor UAV, an adaptive estimation law is designed based only on velocity and position variables. For the attitude and position subsystem of the quadrotor UAV, a sliding surface with fractional-order term is designed. Which makes the quadrotor UAV tracking error system obtain good robustness at the stage of reaching the sliding surface and fast convergence and accurate tracking performance in the sliding stage. Based on Lyapunov stability theory, the convergence results are analyzed strictly. The results show that the algorithm can make the position distance between leader and followers converge to the desired offset. Simulation results verify the effectiveness and superiority of the control algorithm.     

四旋翼无人机姿态系统的非线性容错控制设计

本文研究了四旋翼无人机执行器发生部分失效时的姿态控制问题.通过分析其动力学特性,将执行器故障以乘性因子加入系统模型,得到执行器故障情况下四旋翼无人机的姿态动力学模型.在同时存在未知外部扰动和执行器故障的情况下,设计了一种基于自适应滑模控制的容错控制器.利用基于Lyapunov的分析方法证明了所设计控制器的渐近稳定性.在四旋翼无人机实验平台上进行了实验,验证了该算法对存在未知外部扰动和执行器部分失效时四旋翼无人机的姿态控制具有较好的鲁棒性.     

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.

     

Trajectory Tracking Control for Quadrotor Robot Subject to Payload Variation and Wind Gust Disturbance

This work proposes a hierarchical nonlinear control scheme for quadrotor to track 3D trajectory subject to payload variation and fast time-varying wind gust disturbance. In terms of dynamics model, the 6 DOF dynamics model with parametric and nonparametric uncertainties is built up. Wind gust and propeller momentum drag model are implemented to quantify the wind impact (force and moment disturbances) on quadrotor. In terms of control design, adaptive robust controller is developed for dynamic subsystem to deal with moment disturbance and estimate the system parameters. Global sliding mode controller is implemented for kinematic subsystem to generate adequate desired attitude angles for tracking the planned 3D trajectory. Simulations and experiments under various conditions are carried out for verification, and the results indicate the effectiveness, adaptiveness and robustness of the control strategy.     

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。