基于扩张状态观测器和反步法的四旋翼飞行器姿态控制

四旋翼飞行器在实际执行任务过程中,往往会受到外界的干扰,同时建立模型时的不确定性也会对控制效果产生影响。为了提高系统的鲁棒性,设计了一种基于扩张状态观测器和反步法的姿态控制器。基于牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器的数学模型,通过设计扩张状态观测器,以此观测四旋翼飞行器受到的扰动,将观测到的扰动估计值补偿至反步控制器,以减小扰动的影响,改善控制效果。通过数值仿真验证了算法的有效性。     

基于反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪研究北大核心CSCD

在四旋翼飞行器航迹跟踪优化控制的研究中,四旋翼飞行器具有欠驱动和强耦合的特点,在对设定轨迹进行跟踪时,容易出现控制精度较低、抗干扰能力差等问题。针对以上问题,设计了一种采用反步法的轨迹跟踪方法,运用牛顿-欧拉公式建立四旋翼飞行器的动力学模型,将四旋翼飞行器的飞行控制系统分解为上下、前后、左右、偏航四个子系统,应用反步算法为四个子系统配置控制律,实现四旋翼飞行器对设定轨迹的精确跟踪。实验结果表明,所提算法能够让四旋翼飞行器实现对所设定轨迹精确的跟踪,最大跟踪误差不超过6cm。     

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。     

四旋翼飞行器的自适应二阶滑模控制

针对四旋翼飞行器参数变化的姿态控制问题,将自适应光滑二阶滑模控制方法应用于四旋翼飞行器控制系统.对于参数变化引起的模型不确定性部分采用滑模干扰观测器进行补偿,对姿态系统设计自适应光滑二阶滑模控制器,有效地减弱传统滑模控制的抖振,控制器参数的在线调整提高了系统的控制精度.基于Lyapunov理论证明了系统的有限时间稳定.数字仿真和实验结果都验证了所提控制方法的有效性.     

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.     

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。     

基于终端滑模的四旋翼飞行器非线性轨迹跟踪控制

考虑到四旋翼飞行器的传统内外环控制策略依赖时标分离假设,稳定性分析复杂,并且控制参数选取困难的缺点,提出了一种与传统内外环控制策略不同的轨迹跟踪控制器;首先将四旋翼飞行器数学模型进行相应的变换,以分解为高度、偏航角和纵横向三个级联的子系统,再使用终端滑模控制方法设计高度和偏航角子系统的控制器,使两个子系统的状态误差可以在有限时间内收敛到原点,之后基于变量非线性变换设计纵横向子系统的控制器,分析了闭环系统稳定性,证明了所设计的轨迹跟踪控制器可以保证闭环系统跟踪误差渐近稳定到原点,最后仿真实验的结果验证了所设计的控制器的有效性。     

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.     

Design of Fractional‐Order Backstepping Sliding Mode Control for Quadrotor UAV

This paper derives a nonlinear translational and rotational dynamic model of the quadrotor UAV. An original fractional‐order backstepping sliding mode control method for a typical quadrotor UAV is presented. The new approach can decrease the chattering phenomenon and increase the robustness of control strategy. The strongly coupled characteristics of the under‐actuated system are sought by the virtual controllers. The feasibility for different track trajectories are verified using MATLAB. The new control method can not only track the expected trajectory very well but also has a better robustness for different complex trajectory under disturbances, as the simulation results demonstrate.     

水平欠驱动机械臂的反步自适应滑模控制

针对二自由度水平欠驱动机械臂系统,提出了基于分层滑模控制思想的反步自适应滑模控制方法．该方法能够在不对系统状态模型进行复杂坐标变换,并且没有约束方程限制的前提下实现对欠驱动系统的反馈滑模控制．仿真结果表明了该方法的有效性,而且优化后的控制器具有较好的适应性和控制效果．     

飞行仿真转台伺服系统的反演自适应滑模控制(英文)

采用滑模控制对非线性系统进行控制时,抖振是不可避免的现象,如何抑制抖振成为研究的重点。介绍了一种反演自适应滑模控制方案,它可以解决非线性系统中的不确定性问题,保证系统的鲁棒性。为此,首先介绍了反演设计的原理,通过在反演设计中引入滑模控制,并采用自适应算法对不确定性进行估计,有效的降低了抖振。最后给出了一个应用此方法进行控制的实际例子,结果表明了这种方法的有效性。     

基于扰动观测器的机械臂自适应反演滑模控制

机械臂的动力学模型通常包含一定的结构不确定性,并受到外界未知干扰的影响。针对现有模型的不确定性特点,提出了一种基于非线性扰动观测器的自适应反演滑模控制方法,解决机械臂的轨迹跟踪控制问题。对于外界干扰,利用非线性扰动观测器进行观测补偿,无需上界先验知识;对于结构不确定性,引入反演滑模控制,同时设计自适应律,保证闭环系统的稳定性并增强系统的动态适应性。仿真结果证明,所提出的方法可以有效克服系统不确定性,降低控制输入信号的抖振,最终实现期望轨迹的快速精确跟踪。     

Quadrotor Control Via Robust Generalized Dynamic Inversion and Adaptive Non‐Singular Terminal Sliding Mode

A robust two‐loops structured control system design for quadrotor's position/attitude trajectory tracking is proposed. The aim of the outer loop is to provide the roll/pitch tilting commands to the inner loop, which in turns generates the tilting angles that control the quadrotor's center of gravity in the horizontal plane. The outer loop utilizes Robust Generalized Dynamic Inversion (RGDI) of a prescribed asymptotically stable differential equation in the deviation function of the horizontal position coordinates from their reference trajectories. The inner loop employs an Adaptive Non‐singular Terminal Sliding Mode (ANTSM) to control the tilting angles, in addition to controlling the yaw attitude angle and the vertical position coordinate. The proposed scheme solves the singularity avoidance problems of generalized inversion and terminal sliding mode control. The stability of outer and inner loop is ensured by utilizing positive definite Lyapunov energy function for stable tracking performance against parametric variations and bounded unknown external disturbances. Numerous simulations are conducted on a six Degrees of Freedom (DoF) quadrotor model in the presence of parametric variations, un modeled dynamics, and external disturbances.     

基于反步积分滑模摩擦补偿的光电伺服转台控制

针对光电伺服转台在目标搜索、瞄准时出现角度跟踪误差较大、爬行、抖振等问题,本文结合反步法、自适应滑模、LuGre模型的优势,提出了一种反步自适应积分滑模摩擦补偿控制策略。首先根据光电伺服转台工作环境复杂多变的特点,引入环境因子,建立了改进的LuGre模型,然后在李雅普诺夫框架下分步设计子系统与控制律。引入多个自适应律消除参数不确定对系统的影响,采用双非线性摩擦观测器进行摩擦扰动补偿,采用积分滑模增强系统鲁棒性并减小系统稳态误差。由李雅普诺夫定理证明可知系统全局稳定。仿真结果表明,这种新型控制策略能有效抑制摩擦扰动,提高系统角度跟踪精度,可以满足光电伺服转台的高精度跟踪控制的要求。     

机械臂自适应反演超螺旋全局终端滑模控制

针对机械臂系统存在的系统参数摄动、非线性摩擦及外部干扰等不确定问题,提出一种自适应反演超螺旋全局终端滑模轨迹跟踪控制方法。该方法基于反演法、Lyapunov理论和全局快速终端滑模理论设计控制器,保证系统稳定性及全局收敛性,增强系统的鲁棒性。为解决系统集总扰动上界未知的问题,采用自适应技术设计切换控制律,抵消不确定性的影响,同时引入超螺旋算法抑制滑模控制固有的抖振现象。最后,通过理论分析和仿真算例验证了该控制器的有效性与可行性。     

基于自回归小波神经网络的感应电动机滑模反推控制

为了提高感应电动机控制的鲁棒性, 提出了一种新颖的感应电动机解耦模型. 基于感应电动机的解耦模型, 利用滑模控制和反推控制设计电动机的虚拟转矩和磁链电压控制器. 滑模开关增益的大小是造成系统抖振的关键, 采用自回归小波神经网络(Self-recurrent wavelet neural networks, SRWNN)在线估计滑模开关增益的大小可以有效降低滑模控制造成的抖振. 仿真结果表明基于SRWNN在线估计滑模开关增益的滑模反推控制方案可以有效提高感应电动机控制的鲁棒性, 同时降低了滑模控制造成的抖振.     

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。     

Adaptive Sliding Mode Control for Re-entry Attitude of Near Space Hypersonic Vehicle Based on Backstepping Design

Combining sliding mode control method with radial basis function neural network (RBFNN), this paper proposes a robust adaptive control scheme based on backstepping design for re-entry attitude tracking control of near space hypersonic vehicle (NSHV) in the presence of parameter variations and external disturbances. In the attitude angle loop, a robust adaptive virtual control law is designed by using the adaptive method to estimate the unknown upper bound of the compound uncertainties. In the angular velocity loop, an adaptive sliding mode control law is designed to suppress the effect of parameter variations and external disturbances. The main benefit of the sliding mode control is robustness to parameter variations and external disturbances. To further improve the control performance, RBFNNs are introduced to approximate the compound uncertainties in the attitude angle loop and angular velocity loop, respectively. Based on Lyapunov stability theory, the tracking errors are shown to be asymptotically stable. Simulation results show that the proposed control system attains a satisfied control performance and is robust against parameter variations and external disturbances.