A Second-Order Sliding Mode Controller of Quad-Rotor UAV Based on PID Sliding Mode Surface with Unbalanced Load

Quad-rotor unmanned aerial vehicle(UAV) is a typical multiple-input-multiple-output underactuated system with couplings and nonlinearity. Usually, the flying environment is very complex,so that it is impossible for the UAV to avoid effects derived from disturbances and uncertainties. In order to improve the reliability of flight control, we established the dynamic model of quad-rotor UAV by Newton-Euler equation in unbalanced load conditions. Considering external disturbances in the attitude, a second-order sliding mode controller was designed with PID sliding mode surface and Extended State Observer(ESO). The simulation experiments have got good control performance,illustrating the effectiveness of our controller. Meanwhile, the controller was implemented in a quadrotor UAV, which carried a pan-tilt camera for aerial photography. The actual flight experiments proved that this paper dealt with the high stabilization flight control problem for the quad-rotor UAV,which laid a good foundation for autonomous flight of the UAV.     

基于观测器的四旋翼容错控制及仿真研究

针对四旋翼飞行器执行器故障的问题,提出7一种基于自适应观测器的积分反演滑模容错控制策略,以保证飞行器的安全性和可靠性.建立考虑执行器故障的四旋翼飞行器动力学模型;设计一种自适应故障估计观测器用来观测系统的状态和估计故障信息;采用积分反演和滑模控制相结合的方法分别设计姿态容错控制器和位置控制器,完成姿态和位置的轨迹跟踪....     

基于扩张状态观测器的变形机翼抗饱和控制

针对一类滑动蒙皮机翼模型的强非线性、模型不确定性、未知外部干扰以及执行器饱和特性,提出了基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的抗饱和控制方法。通过将变形机翼系统的不确定性视为扩张状态,设计了ESO对扩张状态进行估计;并在控制策略中,对观测出的扩张状态进行实时补偿;利用线性矩阵不等式工具给出了执行器饱和条件下的收敛域。数值仿真结果表明变形机翼系统可以有效克服模型不确定性、未知外部干扰与执行器饱和的影响,完成变形指令。     

基于干扰估计的高超声速飞行器鲁棒控制方法

针对高超声速飞行器高度与速度跟踪所面临的参数不确定与外界干扰问题,提出基于干扰估计的鲁棒控制律设计方法。首先建立含参数不确定与外界干扰的高超声速飞行器模型;而后基于动态逆思想,将动力学模型进行线性化,并将由参数不确定与外界干扰对系统造成的总效果看作系统总干扰,从而引入线性扩张状态观测器实现对系统状态及总干扰的估计;最后考虑总干扰作用,提出具有鲁棒性能的动态逆控制律与滑模控制律。通过与传统控制律进行对比仿真,结果表明所设计的两种鲁棒控制器只需在原有方法基础上进行简单改进,即可较大程度提高对系统参数不确定与外界干扰的鲁棒性,具有良好的跟踪性能。     

基于扩张观测器的输入受限四旋翼飞行器轨迹跟踪动态面输出反馈控制

针对速度不可测和输入受限的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和外界干扰未知的情况,提出一种输入受限四旋翼飞行器轨迹跟踪动态面输出反馈控制方法。该方法首先设计非线性扩张状态观测器估计飞行器系统的速度和广义扰动,然后结合反演法和动态面技术设计动态面轨迹跟踪控制律,以降低控制算法的复杂性,同时引入双曲正切函数解决控制输入饱和问题,并构造辅助方程降低饱和效应,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。以大疆M100飞行器为目标进行控制仿真,结果表明,所设计的输出反馈控制器能够有效地处理飞行器系统控制输入受限、速度不可测和未知干扰问题,实现飞行器精确轨迹跟踪控制。     

基于SE(3)的航天器姿轨一体化有限时间容错控制

针对相对运动航天器,当执行机构出现故障以及外部干扰和系统不确定性同时存在的情形下,利用滑模控制的鲁棒性,提出了一种有限时间容错控制方法。基于李群SE(3)建立了单刚体航天器姿轨一体化模型,并在指数坐标下推导了相对运动航天器误差动力学方程。设计了一类非奇异快速终端滑模面,并采用等价自适应方法设计控制器估计和补偿外总扰动,提出的容错控制算法可以不依赖于故障诊断与检测环节。运用Lyapunov方法证明了系统在故障和扰动等多约束条件下的稳定性和有限时间快速收敛性,数值仿真结果分析也验证了该容错控制器的快速性、准确性与可靠性。     

基于超螺旋滑模的船载稳定平台镇定控制

针对存在动态不确定与未知外界扰动的船载稳定平台, 提出基于超螺旋扩张状态观测器(super-twisting extended state observer, STESO)的超螺旋滑模(super-twisting sliding mode, STSM)镇定控制方案。构造STESO, 为平台的动态不确定以及未知外界扰动引起的总扰动提供在线估计, 再依据超螺旋算法设计船载平台STSM镇定控制律, 使得船载平台上支撑面渐近调节于惯性空间中某一期望的位姿不变。仿真及比较结果验证了所设计的船载平台镇定控制律具有较高的鲁棒性、扰动估计精度及镇定控制精度。     

Super-twisting扩张状态观测器在四旋翼飞行器故障重构中的应用

针对四旋翼飞行器姿态控制系统的故障重构问题,提出一种基于super-twisting算法的扩张状态观测器,以扩张状态的形式对飞行器执行机构故障进行直接估计,同时实现了旋翼增益故障的故障隔离与精确重建。为抑制外部扰动对观测器稳定性的影响,一般需要将观测器的增益设置较大,但同时会引发噪声扩展问题。因此引入了观测器参数的自适应调整算法,在保证观测器稳定收敛的同时降低了噪声对故障重构精度的影响。此外,基于李雅普诺夫方法证明了滑模观测器的渐近收敛特性,并通过数值仿真验证了观测器对故障重构的有效性。仿真结果表明所构建的故障观测器能够迅速地对执行机构故障做出反应，并在外界扰动存在的情况下对故障程度实现准确估计。     

Super-twisting扩张状态观测器在四旋翼飞行器故障重构中的应用

针对四旋翼飞行器姿态控制系统的故障重构问题,提出一种基于super-twisting算法的扩张状态观测器,以扩张状态的形式对飞行器执行机构故障进行直接估计,同时实现了旋翼增益故障的故障隔离与精确重建。为抑制外部扰动对观测器稳定性的影响,一般需要将观测器的增益设置较大,但同时会引发噪声扩展问题。因此引入了观测器参数的自适应调整算法,在保证观测器稳定收敛的同时降低了噪声对故障重构精度的影响。此外,基于李雅普诺夫方法证明了滑模观测器的渐近收敛特性,并通过数值仿真验证了观测器对故障重构的有效性。仿真结果表明所构建的故障观测器能够迅速地对执行机构故障做出反应，并在外界扰动存在的情况下对故障程度实现准确估计。     

QTR无人机垂直起降模态分数阶滑模姿态控制

针对存在复合干扰的四倾转旋翼(quad tilt rotor,QTR)无人机姿态控制问题,提出了一种结合分数阶理论、滑模变结构控制理论、新型趋近律及super twisting二阶滑模干扰观测器的分数阶滑模控制方法。首先,利用分数阶微积分算子的信息记忆和遗忘特性,把分数阶微积分理论引入滑模控制方法中,设计了分数阶比例微分积分滑模面。其次,针对传统趋近律收敛时间长、速度慢、抖震严重等不足,提出了一种具有二阶滑模特性的新型快速趋近律。最后,考虑到复合干扰的存在,采用super twisting滑模干扰观测器在线对复合干扰进行估计和补偿。通过与传统整数阶滑模控制和动态逆PID控制进行比较,仿真实验结果表明,所提控制方案具有良好的控制性能。     

无速度测量的四旋翼无人机移动目标跟踪控制

针对只有目标与载机的相对距离信息,而无速度信息的跟踪控制问题,以及在任务场景中对四旋翼无人机期望姿态角有约束的要求,设计了一种位置-姿态控制器。位置控制器只需要目标与载机的相对距离作为输入,其输出保证所生成的期望姿态指令在指定的范围内。为了保证在有限时间收敛至期望姿态,姿态控制器采用了二阶滑模的设计方法,缓解了电机输出指令颤振,并对外部扰动和模型不确定性具有较好的鲁棒性。最后进行了在风场中针对多种机动形式的目标进行了跟踪飞行仿真,得到了满意的跟踪效果。     

飞行器自适应反推Terminal滑模轨迹跟踪控制

飞行器非线性动力学模型通常包含由未知外界干扰和未建模动态构成的非匹配不确定性。针对建立的飞行器纵向运动仿射非线性模型,提出了一种基于非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer, NDO)的自适应反推非奇异终端滑模(adaptive backstepping nonsingular terminal sliding mode,AB-NTSM)轨迹跟踪控制方法。设计非线性干扰观测器对未知干扰进行观测补偿,无需干扰上界先验知识。设计未建模动态自适应律,提高控制器对系统不确定性的鲁棒性。对3种不同情况的仿真表明,干扰观测器能够实现对不同干扰精确观测,仅在干扰突变时有较大观测误差。在不确定性影响下,采用提出的控制方法,系统能够实现对指定轨迹的稳定跟踪,并有效消除控制信号的抖振。     

基于滑模迭代学习律的航天器姿态控制

针对航天器姿控系统长期运行期间因执行部件老化或故障引起性能下降的情形,设计了一种基于滑模迭代学习率姿态自主容错抗扰控制方案。采用虚拟控制输入设计了滑模控制器,以确保故障发生后系统能精确跟踪参考运动轨迹|通过李亚普诺夫稳定性分析,设计了新的自适应迭代学习率,根据系统跟踪误差,在线确定控制器参数以应对执行器故障和外部干扰的影响。数值仿真实验表明,该方法可以有效进行故障检测和干扰补偿。     

基于超扭曲算法的无人机动态逆编队控制器设计

针对扰动条件下的无人机编队飞行控制系统,研究了一种将非线性动态逆（nonlinear dynamic inversion, NDI）理论与超扭曲算法相结合的非线性编队控制方法。以其中一架僚机的编队控制器设计为例,在无人机质心动力学和运动学模型的基础上,建立了基于偏差的编队控制系统,从而将编队控制问题转化为僚机的路径跟踪问题;在二阶滑模控制中超扭曲算法的基础上,设计了僚机的NDI控编队控制器,以消除滑模算法中存在的抖振现象,并实现对位置指令的跟踪及干扰的抑制。最后以3架编队无人机构成的编队飞行控制系统为例,对此方法进行了数学仿真,仿真结果表明基于该方法的编队控制系统具有良好的稳定性和鲁棒性。     

基于自适应快速终端滑模的航天器容错控制

针对执行机构发生故障时的航天器姿态控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模的容错控制设计方法。该方法通过选择具有快速终端特性的滑模面,提高航天器容错控制的收敛速率,实现系统有限时间稳定|利用自适应控制方法在线调整控制器参数,消除对故障最小 值信息的依赖。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,所提出的方法在保证系统鲁棒性和稳定性的同时,三轴姿态角和态角速度收敛时间可分别降低约54.5%和50%,实现快速有效的航天器容错控制。     

基于多模自适应滤波的无人机控制系统故障诊断

建立了无人机控制系统传感器和执行器的全局故障和局部故障的模型，在此基础上应用多重模型自适应卡尔曼滤波方法对其传感器和执行器的各种软硬故障进行诊断，应用所建立的数学模型与方法，对无人机的三个传感器和两个执行器的局部与全局故障进行了仿真计算。在仿真过程中发现，此方法的诊断准确度高，无延迟报警，算法简单，仿真结果验证了该种方法的有效性。     

考虑输入输出受限的无人机自适应滑模容错控制

针对存在执行器故障、控制输入饱和与状态约束的无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)姿态控制系统,提出一种新的基于反步法的具有有限时间收敛的自适应滑模姿态容错控制方法。首先,为了抑制执行器故障以及外部干扰的影响,采用自适应和干扰观测器技术,实现对干扰的双重抑制。然后,设计动态辅助系统与障碍Lyapunov函数,证明在输入饱和与状态约束的条件下,闭环姿态控制系统可以在有限时间内稳定,且系统中所有信号最终是有界的。最后,对于小型无人系统的姿态跟踪问题进行性能仿真与对比仿真研究。仿真结果表明,所提出的容错控制方法能够保证在执行机构发生故障时控制系统的有效性,并且该方法具有良好的性能。     

考虑输入输出受限的无人机自适应滑模容错控制

针对存在执行器故障、控制输入饱和与状态约束的无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)姿态控制系统,提出一种新的基于反步法的具有有限时间收敛的自适应滑模姿态容错控制方法。首先,为了抑制执行器故障以及外部干扰的影响,采用自适应和干扰观测器技术,实现对干扰的双重抑制。然后,设计动态辅助系统与障碍Lyapunov函数,证明在输入饱和与状态约束的条件下,闭环姿态控制系统可以在有限时间内稳定,且系统中所有信号最终是有界的。最后,对于小型无人系统的姿态跟踪问题进行性能仿真与对比仿真研究。仿真结果表明,所提出的容错控制方法能够保证在执行机构发生故障时控制系统的有效性,并且该方法具有良好的性能。     

Adaptive fuzzy sliding mode control for robotic airship with model uncertainty and external disturbance

An adaptive fuzzy sliding mode control (AFSMC) approach is proposed for a robotic airship.First,the mathematical model of an airship is derived in the form of a nonlinear control system.Second,an AFSMC approach is proposed to design the attitude control system of airship,and the global stability of the closed-loop system is proved by using the Lyapunov stability theorem.Finally,simulation results verify the effectiveness and robustness of the proposed control approach in the presence of model uncertainties and external disturbances.     

基于积分滑模控制的无人机自动着舰系统

针对无人机着舰这一特殊环境,为克服系统摄动、未建模动态及各种环境干扰因素的不良影响,从工程实现易行性出发,提出一种新的积分滑模着舰飞行控制方法,避免其受传统积分切换函数滑模控制方法的应用限制,并采用自适应模糊系统抵消外界干扰带来的误差,逼近滑模控制器中的切换项,从而有效降低舵面的抖振。搭建自动着舰综合仿真平台,以国外现役某小型舰载无人机为例,仿真结果表明,该自动着舰系统能较好地克服各种因素的影响,实现无人机安全着舰,着舰性能符合要求。