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。     

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.     

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.     

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.     

共轴式无人直升机建模与鲁棒跟踪控制

针对共轴式无人直升机非线性、强耦合的动力学特性,本文提出了一种基于动态反馈线性化方法的鲁棒跟踪控制策略.首先根据叶素理论、Pitt-Peters动态入流模型、上下旋翼气动干扰分析建立了共轴式无人直升机的数学模型.然后对于高度-姿态子系统,通过扩展状态变量对其进行了动态反馈线性化,分析了零动态特性.根据内环期望跟踪特性对解耦后的子系统进行极点配置.通过设计鲁棒补偿器实现了对高度与姿态指令的鲁棒跟踪.在此基础上,针对水平面内的位置子系统设计了外环比例微分(proportional-derivative,PD)控制器以实现位置跟踪.最后,通过内环跟踪仿真验证了反馈线性化方法良好的解耦特性,通过干扰条件下的轨迹跟踪仿真验证了所设计控制器具有较好的控制性能与鲁棒性.     

四旋翼飞行器建模及其运动控制

针对四旋翼飞行器是一个欠驱动、强耦合、非线性系统,提出了运用反步法解决系统非线性问题,达到对飞行器快速、准确、稳定控制目的.研究了以反步法作为非线性设计工具对飞行器控制系统的设计问题,将飞行控制系统分为内外环2个子系统.建立四旋翼飞行器动力学及运动学方程,并对数学模型进行适当简化.利用反步法求解飞行器内环姿态控制律,实现对目标姿态角的稳定控制;利用比例—积分—微分(PID)作为飞行器外环位置控制律,实现对目标位置的稳定控制.搭建飞行器系统模型,进行Matlab/Simulink仿真实验,结果表明:在小角度飞行和悬停状态下,飞行器的位置与姿态精度得到了有效控制,验证了数学模型与控制律设计的准确性.     

基于反馈线性化的RLV气动控制一体化设计

针对可重复使用运载器设计过程中,气动布局、制导控制系统相互耦合的问题,引入气动控制一体化设计方法。分析该飞行器再入过程的高度-速度飞行剖面,基于反馈线性化方法设计再入跟踪制导律。按照快慢变量分离的原则,设计反馈线性化控制器。以此为基础,对飞行性能进行评估,找出布局存在的不足,给出改进建议,并进行仿真验证。整个设计过程表明,基于反馈线性化的气动控制一体化设计方法能够有效兼顾气动与制导控制约束,实现飞行器性能最优。     

干扰下的无人直升机自适应反步法鲁棒跟踪控制

针对无人直升机干扰下的鲁棒轨迹跟踪问题,设计了一种自适应反步控制方法.鉴于作用在直升机上的干扰是产生跟踪误差的主要原因,该方法的主要思想是寻求一种方法来补偿这种干扰.首先,将未建模动态如外部阵风干扰、配平误差、机身、垂尾、平尾以及其他可忽略的动态产生的力和力矩看成一种组合干扰,从而建立了一个方便反步法控制器设计的简化模型.当设计好反步法控制器后,设计了一个非线性自适应律来估计这种组合干扰,并通过将干扰估计值整合到反步控制器中,使得闭环跟踪系统的鲁棒稳定性得到了保证,即基于李雅普诺夫稳定性理论证明了所设的控制器对于干扰主动阻隔,特别是低频干扰的主动阻隔是有效的.最后,两个仿真研究验证了该方法是优于常规反步法和积分反步法的.     

基于自适应积分反步的四旋翼飞行器控制*

四旋翼飞行器系统是强耦合,多输入多输出（MIMO）和非线性的。首先,进行动力学建模,考虑模型参数确定与阵风干扰两种情况。接着,提出了一种自适应积分反步控制方法应用于飞行器跟踪期望轨迹。整个控制系统采用双闭环回路结构,内回路用于控制姿态,外回路用于稳定位置。最后,在模型参数确定的情况下,与积分反步法（Integral Backstepping,IB）做实验对比。在模型参数不确定情况下,对飞行器的期望姿态和位移进行跟踪,结果表明,应用自适应积分反步（Adaptive Integral Backstepping,AIB）控制算法的飞行器对外界较强阵风干扰和模型参数不确定具有一定的鲁棒性,能够较为精确地完成轨迹跟踪任务。     

无人旋翼飞行器自适应飞行控制系统设计与仿真

为了设计出能适应不同飞行任务的无人旋翼飞行器飞行控制系统,讨论了模型逆控制器原理.提出了神经网络补偿控制器及其权系数在线算法,分析了综合控制器稳定性.导出了无人旋翼飞行器旋转动力学逆控制器和平移动力学逆控制器,设计了姿态内回路控制器和轨迹外回路控制器,确定了共轴旋翼转速驱动电机的控制分配策略.规划了组合机动飞行科目来模拟自动飞行任务.通过仿真验证了自适应飞行控制系统对无人旋翼飞行器水平垂直运动、悬停和航向运动的飞行控制能力.结果表明,所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现姿态与轨迹的稳定和跟踪控制.     

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.     

Enhanced adaptive nonlinear extended state observer for pure feedback systems withmatched andmismatched disturbances

In this paper, an enhanced adaptive nonlinear extended state observer (EANESO) for single-input single-output pure feedback systems in the presence of external time-varying disturbances is proposed. In this paper, a nonlinear system with matched and mismatched disturbances is considered. The conventional extended state observer (ESO) can only be applied to systems that are in the form of integral chains. Moreover, this method has limitations in the face of mismatched disturbances. In the presence of time-varying disturbances, the traditional ESOs cannot estimate the disturbances accurately. To overcome this limitation, an EANESO is proposed in this paper. The main idea is to design the nonlinear ESO (NESO) to estimate the states of the system and multiple disturbances simultaneously. The observer gains are considered time-varying and adjusted with adaptation laws to improve the estimation accuracy and overcome the peaking phenomenon. Next, the proposed controller is designed based on output feedback to eliminate the effects of multiple disturbances and stabilize the closed-loop system. Subsequently, the stability analysis of the closed-loop system and convergence of the observer error are discussed. Finally, the proposed method is applied to the inverted pendulum system. The simulated results show good performance of the proposed method as compared with a recently published scheme in the related literature.     

Output feedback second order sliding mode control for spacecraft attitude and translation motion

This paper studies an output feedback control problem for spacecraft position and attitude control when uncertainties related to system parameters and external disturbances are present. Firstly, a new finite-time control law is designed using second order sliding mode concepts. In the presence of external disturbances and inertia uncertainties, the new control law provides finite-time convergence and high tracking precision. Secondly, a new sliding-mode-based filter is developed to estimate the first time derivatives of attitude and position in finite time. Instead of the translational and angular velocity variables, the estimated derivative values are used for the controller design. The proposed controller with this filter is an output feedback controller since translational and angular velocity measurements are not required. The closed-loop system under this controller is non-homogeneous and the stability is proven by using concepts of a strong Lyapunov function and Lyapunov stability theory. The trajectories of the closed-loop system can be controlled to converge to a ball centered at the origin that can be made as small as desired. Numerical simulations of position and attitude control of spacecraft are given to demonstrate the performance of the proposed controller and filter.     

基于扩张状态观测器和有限时间控制的感应电机直接转矩控制

对感应电机直接转矩控制系统中存在的干扰,本文结合扩张状态观测器(ESO)和有限时间控制(FTC)提出一种复合控制方法来提高系统的抗干扰能力.首先采用扩张状态观测器估算系统的扰动,用此观测值作为前馈量补偿到输入端;然后运用连续有限时间控制方法设计系统前向通道中的反馈控制器.文中对控制器的稳定性进行了证明.与传统的PI控制以及P+ESO控制方法进行仿真与实验结果比较,验证了方法的有效性.     

考虑输入饱和的近空间飞行器姿态容错控制

针对近空间飞行器姿态控制中出现的执行器故障,输入饱和与外部干扰等问题,设计了一种基于二阶滑模干扰观测器和辅助系统的鲁棒容错跟踪控制方法.首先,将系统不确定,外部扰动和执行器故障作为复合干扰,设计super-twisting二阶滑模干扰观测器对其进行估计.然后为解决输入饱和问题构造了辅助分析系统,并借助backstepping方法,设计姿态容错跟踪控制器.利用Lyapunov方法,严格证明了所有闭环系统信号的收敛性.最后将所设计的控制方法应用于近空间飞行器姿态控制中,仿真结果验证了该控制方法的有效性.     

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.     

Nonsingular terminal sliding mode based finite-time control for spacecraft attitude tracking

This paper studies finite-time attitude tracking control problem of a rigid spacecraft system with external disturbances and inertia uncertainties. Firstly, a new finite-time attitude tracking control law is designed using nonsingular terminal sliding mode concepts. In the absence and presence of external disturbances and inertia uncertainties, this controller can drive the attitude and angular velocity tracking errors to reach zero in finite time. Secondly, a finite-time disturbance observer is introduced to estimate the disturbance, and a composite controller is developed which consists of a feedback control based on nonsingular terminal sliding mode method and compensation term based on finite-time disturbance observer. Finite-time convergence of attitude tracking errors and the stability of the closed-loop system is ensured by the Lyapunov approach. Numerical simulations on attitude control of spacecraft are also given to demonstrate the performance of the proposed controllers.     

Dynamic surface active fault tolerant control design for the attitude control systems of UAV with actuator fault

In this paper, an active fault tolerant control (FTC) approach based on transient performance index is proposed for the attitude control systems of unmanned aerial vehicle (UAV) with actuator fault. The nonlinear attitude control system model for UAV with actuator faults is given, which represents the dynamic characteristics of UAV. A fault diagnosis component is used for fault detection and estimation. According to the fault estimation information obtained during the fault diagnosis, the fault tolerant control scheme is developed by adopting the adaptive dynamic surface control technique, which guarantees the asymptotic output tracking and ultimate uniform boundedness of the closed-loop attitude control systems of UAV in actuator faulty case. Further, a prescribed transient performance of the FTC attitude control systems is considered which characterizes the convergence rate and maximum overshoot of the attitude tracking error. Finally, simulation results are shown that the attitude control system states remain bounded and the output tracking errors converge to a neighborhood of zero.