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。     

四旋翼无人机的自适应反步跟踪控制北大核心CSCD

针对四旋翼无人机存在外界干扰情况下的姿态和位置的跟踪控制问题,提出了自适应反步控制策略。首先,通过对四旋翼无人机模型的分析,将其转化为带有外界干扰的严反馈形式;其次,采用自适应技术,实现对未知外界干扰上界的估计,并结合反步控制,分别设计姿态和位置的跟踪控制器;再次,基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的渐近稳定性;最后,通过数值仿真验证了所设计控制策略的有效性。仿真结果表明所设计的控制器具有较好的鲁棒性和跟踪性能。     

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.     

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.     

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数;通过稳定性分析说明所设计的控制器可以保证跟踪误差的有界稳定性,且跟踪误差一直处于预设边界内;最后,通过仿真验证所设计控制策略的有效性.     

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。     

采用滑模观测器的六旋翼指令滤波鲁棒控制

针对包含复合干扰的六旋翼无人机鲁棒控制问题,提出了一种基于滑模观测器的指令滤波鲁棒控制方法。建立了包含复合干扰的六旋翼无人机位置和姿态的数学模型,并对位置回路设计了滑模控制律,从而解算出姿态指令;根据姿态角回路输出的虚拟控制律,设计了指令滤波器来抑制微分爆炸现象,并利用辅助滤波器补偿指令滤波的误差;在角速度回路鲁棒控制律中引入滑模观测器,对包括模型误差和外界扰动的复合干扰进行补偿,实现了六旋翼UAV的指令滤波鲁棒控制。仿真结果表明：提出的指令滤波鲁棒控制律与指令滤波自适应控制方法相比,在复合干扰下具有更优的稳定性、准确性和快速性,位置和姿态的最大误差分别仅为0.05?m和0.5°,滑模观测器的估计误差也仅为0.2 （°）/s,能够在更短的时间内实现对六旋翼UAV位移和姿态的鲁棒控制。     

四旋翼无人机轨迹稳定跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹稳定跟踪控制问题,为抑制外界扰动和参数不确定性的影响,设计一种双环鲁棒控制系统.首先,基于动态面内模法设计输出调节器进行位置控制,可解决系统的渐近跟踪及干扰抑制问题;其次,利用高阶滑模设计姿态控制器,可实现全局有限时间收敛,消除系统抖振和相对阶的限制;再次,为进一步提高控制精度,采用一种鲁棒精确微分器对姿态角指令信号进行精确求导;最后,对系统稳定性进行严格的数学证明,并与PID控制和传统滑模控制进行仿真对比,结果验证了所提出控制策略的优越性和鲁棒性.     

水下航行器智能航向滑模控制

为了实现对自主水下航行器参考航向的平滑、快速跟踪,提出了一种基于干扰观测器的航向跟踪自适应反演滑模控制算法。针对水池试验中不同程度的水流干扰,利用一种干扰观测器观测系统的不确定性和外部干扰,未观测到的部分干扰采用自适应滑模控制器进行补偿。控制器的设计消除了传统滑模控制的"抖振"现象,且保证了闭环系统的稳定性。同时该控制系统可智能选取控制策略,通过判断水流循环等外界干扰的程度,自动选取合适的控制策略,最终消除外界干扰,提高了跟踪的稳定性和快速性。仿真结果表明,该控制策略能很好地实现智能航向跟踪控制,使跟踪误差在有限时间内快速收敛到零,对外界扰动的变化具有强鲁棒性和良好的自适应性。     

基于扩张状态观测器和反步滑模法的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

为了解决欠驱动四旋翼无人机（UAV）在实际飞行中存在的外界干扰问题,同时提高在系统参数摄动情况下的精确轨迹跟踪效果,设计了一种基于扩张状态观测器（ESO）和积分型反步滑模算法的飞行控制策略。首先,根据系统的半耦合特性和严反馈结构特点,采用反步法设计姿态内环和位置外环控制器;然后,将抗干扰能力较强的滑模控制融入其中,使得系统的鲁棒性得到增强;接着,为了减小系统的稳态误差,引入积分环节;最后,利用ESO实时估算出系统的内、外总扰动并对控制量进行补偿。通过Lyapunov稳定判据,可以说明该系统是一个全局渐进稳定的系统,并通过仿真分析验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

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.     

Nonlinear robust adaptive hierarchical sliding mode control approach for quadrotors

This paper exploits a nonlinear robust adaptive hierarchical sliding mode control approach for quadrotors subject to thrust constraint and inertial parameter uncertainty to accomplish trajectory tracking missions. Because of under‐actuated nature of the quadrotor, a hierarchical control strategy is available; and position and attitude loop controllers are synthesized according to adaptive sliding mode control projects, where adaptive updates with projection algorithm are developed to ensure bounded estimations for uncertain inertial parameters. Further, during the position loop controller development, an auxiliary dynamic system is introduced, and selection criteria for controller parameters are established to maintain the thrust constraint and to ensure the non‐singular requirement of command attitude extraction. It has demonstrated that, the asymptotically stable trajectory tracking can be realized by the asymptotically stable cascaded closed‐loop system and auxiliary dynamic system. Simulations validate and highlight the proposed control approach. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

四旋翼无人机鲁棒自适应姿态控制

 四旋翼无人机的姿态控制是自主飞行控制的核心,针对四旋翼姿态易受外界环境干扰和内部参数摄动等不确定性影响的问题,设计了一种鲁棒自适应反步控制器,以提高四旋翼的鲁棒性。建立了四旋翼完整的姿态运动模型,并将其转化为含有广义不确定性的多输入多输出非线性系统。根据该系统满足严格反馈的结构特点,设计了反步控制器; 针对系统中存在的外部干扰和内部参数摄动等不确定性,引入了一类鲁棒自适应函数来抵消该不确定性对系统的影响; 采用非线性跟踪微分器估计虚拟控制量的微分信号,减小了反步控制器设计中普遍存在的“计算膨胀”问题; 通过构造Lyapunov 函数证明闭环系统是稳定且指数收敛的。仿真结果表明,所设计控制器具有良好的控制效果和鲁棒性。     

四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪与滑模事件驱动控制

四旋翼飞行器作为一个典型的欠驱动的系统,具有强耦合、非线性等特性.针对飞行器外部干扰、和通信资源受限条件下的轨迹跟踪控制问题,进行滑模事件驱动控制方法的研究.首先,分析动力学特性,通过时间尺度分解方法将系统解耦成位置子系统和姿态子系统.其次,将位置子系统转化为严格反馈形式,设计反步滑模控制器,实现位置轨迹稳定跟踪;针对姿态子系统存在时变有界扰动及通信受限,设计滑模事件驱动控制律,在抑制干扰的同时实现对虚拟姿态跟踪指令的跟踪.根据Lyapunov分析方法证明了所设计控制器的稳定性,并通过理论分析证明闭环控制系统不会出现Zeno现象.最后,仿真结果验证了滑模事件驱动控制律在存在外部扰动和通信受限时四旋翼无人飞行器轨迹跟踪的鲁棒性.     

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.

     

Nonlinear robust sliding mode control of a quadrotor unmanned aerial vehicle based on immersion and invariance method

We present an asymptotic tracking controller for an underactuated quadrotor unmanned aerial vehicle using the sliding mode control method and immersion and invariance based adaptive control strategy in this paper. The control system is divided into two loops: the inner‐loop for the attitude control and the outer‐loop for the position. The sliding mode control technology is applied in the inner‐loop to compensate the unmatched nonlinear disturbances, and the immersion and invariance approach is chosen for the outer‐loop to address the parametric uncertainties. The asymptotic tracking of the position and the yaw motion is proven with the Lyapunov based stability analysis and LaSalle's invariance theorem. Real‐time experiment results performed on a hardware‐in‐the‐loop‐simulation testbed are presented to validate the good control performance of the proposed scheme. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.