基于收缩反步的四旋翼飞行器控制

针对四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题,将增量稳定性应用于控制器设计,提出了一种基于收缩理论与反步法的四旋翼飞行器控制算法。首先,介绍了基于微分几何的收缩理论并给出了四旋翼飞行器的动力学模型;其次,使用收缩反步控制求解出四个控制输入信号,以实现飞行器的期望轨迹跟踪。整个系统采用双回路结构,外环控制飞行器位置,内环控制飞行器姿态;最后,分析了系统的增量稳定性与李雅普诺夫稳定性。收缩反步与积分反步的对比实验表明,应用收缩反步控制算法的飞行器系统收敛性更强,能够精确地完成轨迹跟踪任务。     

基于积分反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制

四旋翼飞行器的姿态动力学模型是多输入多输出(MIMO)、强耦合和非线性的。首先,对四旋翼飞行器动力学进行了数学建模。接着,提出了一种基于积分型的反步控制方法应用于四旋翼飞行器的稳定飞行及轨迹跟踪控制。通过引入跟踪误差的积分项,从而降低飞行器进行轨迹跟踪时的稳态误差。整个控制系统采用双闭环回路结构,内回路用于稳定飞行器的姿态角,而外回路用于控制飞行器的高度和水平方向的位移。最后,通过与传统的反步(Backstepping)控制法做实验对比,结果表明,应用积分反步(Integral Backstepping,IB)控制算法的飞行器能够较为精确地完成飞行器轨迹跟踪的任务。     

基于滑模控制的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机,研究了基于滑模控制的轨迹跟踪问题.根据无人机复杂的数学模型,首先利用单位四元数法描述系统姿态,再将其分解为位置和姿态两个子系统;通过引入中间控制输入,跟踪三个自由度的位置信息;考虑到位置和姿态子系统分别受到干扰力和干扰力矩的影响,设计了鲁棒反演滑模控制器,保证了对目标轨迹的稳定跟踪.仿真结果验证了该控制方法的有效性.     

集总干扰下六旋翼飞行器的轨迹跟踪控制

针对复杂集总干扰下六旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题,给出了混合积分反步法控制与线性自抗扰控制的控制算法.首先,通过牛顿-欧拉方程建立六旋翼飞行器的非线性动力学模型,并剖析系统输入输出的数学关系.其次,根据六旋翼飞行器动力学模型的特点,将其分为位置与姿态两个控制环.位置环采用积分反步法控制理论设计控制器,通过引入积分项来提高系统的抗干扰能力,消除轨迹跟踪的静态误差;姿态环采用线性自抗扰控制技术设计控制器,通过线性扩张观测器估计和补偿集总干扰影响,提高系统的鲁棒性.最后,通过2组仿真算例和1组飞行试验验证了本文所提飞行控制算法的有效性.研究结果表明:该控制算法对集总干扰有较好的抑制作用,能够使六旋翼飞行器既快又稳地跟踪上参考轨迹,具有一定的工程应用价值.     

基于反推法的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制

研究了四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制.针对建立的四旋翼飞行器位置及姿态误差动力学模型,采用反推法设计镇定控制项,分别进行位置控制器设计和姿态控制器设计.利用Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性.数值仿真实验结果表明,所提方法具有较好的跟踪性能.     

一种基于内外环结构的四旋翼飞行器容错控制方法

采用内外环结构来避免直接设计四旋飞机的欠驱动控制律,内外环结构以位置子系统作为外环,姿态子系统作为内环。首先,通过反步法逐步递推得到子系统的控制输入,通过该控制输入,一方面,可推导出内环横滚角与俯仰角的期望值,另一方面,可计算得出欠驱动控制律。以推导出的横滚角和俯仰角期望值以及给定的偏航角期望值作为姿态的目标轨迹,通过反步法进一步设计得出相应的姿态控制律。考虑到执行器可能会发生故障,采用自适应方法分别对内环和外环的故障进行估计,从而实现四旋翼飞行器的容错控制设计。相比于直接设计方法,本文方法得到的欠驱动控制律结构简单,且能实现对执行器故障的容错。研究结果表明:四旋翼飞行器在执行器故障下仍能实现位置和姿态的稳定跟踪,验证了所得控制律的有效性。     

四旋翼飞行器系统的自适应神经网络有界H∞跟踪控制

针对有外部扰动的四旋翼飞行器系统,采用backstepping方法解决四旋翼飞行器系统在有界稳定情况下难以实现的H_∞跟踪控制问题.考虑各子系统间的耦合项、空气阻力和外界干扰对四旋翼飞行器系统产生的影响,设计四旋翼飞行器系统的自适应神经网络有界H_∞跟踪控制器.仿真结果表明：设计的控制器能保证四旋翼飞行器系统较精确地跟踪参考轨迹,且对外界干扰具有有界H_∞抑制性能.研究结果能为四旋翼飞行器系统的抗干扰设计提供理论指导.     

基于滑模观测器的四旋翼无人机全回路解耦控制

针对四旋翼无人机复杂轨迹跟踪控制面临的多通道耦合、强非线性以及多源干扰等问题,考虑四旋翼无人机的位置回路、姿态回路动态跟踪误差和执行机构实现过程,提出了一种全回路轨迹跟踪控制方案.首先,将四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题转化为位置回路和姿态回路的指令跟踪问题;其次,将不同通道之间的耦合以及多源干扰影响视作集总干扰,并基于高...     

多重事件触发机制下四旋翼飞行器的姿态跟踪控制

为减少四旋翼飞行器姿态跟踪控制中内部计算与通信资源的损耗,提出了基于反步法和多重事件触发机制下的四旋翼飞行器姿态跟踪控制。建立了四旋翼飞行器的动力学模型,并以滚转角系统为例,利用反步法设计连续控制器,实现了飞行器滚转角对参考信号的跟踪控制;通过引入事件触发机制构造了事件触发控制器,基于Lyapunov稳定性理论证明了所设计的事件触发控制器可以使滚转角系统保持稳定,且避免了Zeno现象;同时,在不同的参数作用下,采用相同方法对四旋翼飞行器的其他3个系统分别设计了各自对应的事件触发机制和事件触发控制器;由此构建的4个事件触发机制共同构成了四旋翼飞行器的多重事件触发机制。仿真结果表明,在多重事件触发机制作用下,所提事件触发控制器在3 s内共触发150次即可达到与周期采样控制器连续采样3 000次相同的跟踪效果。     

四旋翼飞行器全局动态鲁棒性跟踪控制

针对带有模型参数不确定和风微扰状况的四旋翼飞行器轨迹跟踪问题,提出了一种全局动态鲁棒性控制策略. 基于牛顿-欧拉形式化方法解耦得到飞行器直线运动部分和旋转姿态控制部分. 设计了模型预测控制器来实现直线运动部分的动态实时控制. 并在模型参数不确定和风微扰情况下,为了稳定四旋翼飞行器的旋转姿态行为和直线运动,引入全局鲁棒滑模控制方法. 仿真结果表明,设计的全局动态鲁棒控制策略具有实时快速稳定的跟踪效果.      

四旋翼动力学建模及非线性PID轨迹跟踪控制

四旋翼无人机因其简单易用性被应用于航空摄影、天气监测、交通监控、军事监视和地球科学等领域,可以配备摄像头和各种传感器按照既定轨迹飞行,来准确执行许多复杂的任务。通过四旋翼飞行器系统刚体运动学建模及模型线性化处理,针对速度和姿态角较小时的轨迹跟踪问题,设计了级联双闭环比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制器。利用Simulink对所设计模型进行仿真分析,验证了定点悬停和平面正弦轨迹跟踪性能。仿真结果表明:基于小角度假设条件下,所设计PID控制系统可以有效地完成四旋翼飞行器的既定轨迹跟踪。最后通过实物飞行测试,验证了控制算法的有效性。     

基于干扰观测器的分布式四旋翼编队跟踪控制

针对具有模型不确定性和外部干扰的一组欠驱动四旋翼飞行器提出了一种基于干扰观测器的分布式编队跟踪控制策略.根据系统严格反馈的结构特点,将四旋翼的动力学模型划分为位置子系统和姿态子系统.首先,根据快速终端滑模方法(FTSM)设计了一个干扰观测器作为复合干扰的估计器;其次,基于图论和快速终端滑模技术,设计了分布式编队跟踪控制器来实现编队的形成和保持;并在两个子系统之间,引入三阶积分滤波器对姿态子系统的虚拟输入及其导数进行估计;最后,稳定性分析表明闭环控制系统是全局渐进稳定的.仿真结果表明所提出的分布式控制器是有效的.     

四旋翼直升机的线性自抗扰与非线性H_2/H_∞混合控制

为实现四旋翼直升机的轨迹跟踪控制,基于线性自抗扰与非线性H_2/H_∞混合控制提出一种非线性鲁棒控制策略。采用拉格朗日—欧拉方程建立四旋翼直升机的非线性数学模型,并将其划分为旋转运动子系统和平移运动子系统。在旋转运动子系统中,选取非线性H_2/H_∞混合控制实现姿态角的稳定控制;在平移运动子系统中,采用线性自抗扰控制完成位置系统的跟踪控制。研究结果表明:在考虑参数不确定性和持续外部扰动的情况下,所提出的控制策略鲁棒性较强,具有较好的跟踪效果和抗扰性能。     

基于ARM处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究

为实现四旋翼无人机的自主飞行控制,设计并搭建了四旋翼无人机的硬件飞行控制平台.该平台采用自行组装的四旋翼飞行器作为本体,航向姿态参考系统(AHRS)MTi-G单元作为主要机载传感器,ARM嵌入式系统芯片作为主控制器,AVR单片机作为超控单元.基于四旋翼无人机的非线性动态模型,采用内外环结构的PD控制算法,构造了无人机的位置与姿态跟踪控制器.实现了四旋翼无人机滚转角、俯仰角和水平纵向、横向位置共四个自由度的自动控制.实验结果表明,本文提出的机载控制系统设计取得了较好的飞行控制效果.     

PID/ADRC控制器在四旋翼无人飞行控制中的应用

讨论了四旋翼无人飞行器的飞行控制问题,根据四旋翼飞行器的机理建立了运动模型和电机模型,并设计了控制系统.针对建模的不准确性,该控制系统内环回路采用自抗扰控制(ADRC)方法,外环回路采用经典PID控制方法.最后对控制系统在Matlab/Simulink平台上进行仿真,从仿真结果来看,ADRC控制能较好地对系统内扰以及外扰进行估计补偿,减轻了建模工作的负担,并且该控制系统可使四旋翼无人飞行器实现小角度姿态、位置控制、到达指定位置,表明该控制方案是有效的.     

基于状态观测器的多无人机编队跟踪控制

针对一组欠驱动四旋翼无人机在编队飞行中仅有部分无人机可以直接获取领机状态信息的问题,提出了一种基于状态观测器的分布式有限时间编队跟踪控制策略.根据四旋翼无人机系统严格反馈的结构特点,将四旋翼无人机的动力学模型划分为位置子系统和姿态子系统,然后分别进行位置控制器和姿态控制器的设计.首先,考虑到在分布式的编队控制策略下,并非所有的无人机都能直接与领机进行通信并获取领机的状态信息.对每架四旋翼无人机分别设计分布式有限时间状态观测器估计自身与领机的相对状态信息,稳定性分析表明所设计的状态观测器的观测误差能够在有限时间内趋近于零;其次,在四旋翼无人机状态观测器观测结果的基础上设计了有限时间位置控制器,稳定性分析表明位置控制器能够在有限时间内实现对领机位置的稳定跟踪;然后根据位置环控制量解算出期望的姿态角,基于滑模控制方法设计了姿态控制器,稳定性分析表明各架无人机的姿态角能在有限时间内跟踪上期望的姿态角;最后,从仿真结果中能够看出所设计的状态观测器的观测误差能够在有限时间内趋近于零,即每架无人机的状态观测器能够在有限时间内观测到自身与领机的相对状态信息.从无人机飞行轨迹中能够看出各架无人机能够在有限时间内形成并保持期望的队形.     

基于多传感器的微型四旋翼室内自主悬停研究

针对微型四旋翼在室内环境下不能通过外部定位系统实现自主悬停的问题,给出一种基于多传感器的微型四旋翼自主悬停控制方法。采用四旋翼分布式多传感器构建环境信息检测系统,实时获取四旋翼飞行器姿态和相对位置信息;通过设计控制装置对飞行器姿态进行控制,实现自稳飞行;通过室内基站定位平台与光流传感器的速度反馈,实现水平方向位置控制;通过超声波、气压计融合,实现飞行高度控制,最终完成对四旋翼飞行器的室内空间位置控制,使飞行器能够在室内空间中的任何一点悬停,并仅在小范围内波动。通过自主悬停仿真研究验证了方法的有效性。     

一种小型倾转四旋翼飞行器的轨迹控制

针对小型倾转四旋翼(quad tilt-rotor,QTR)无人机位置控制过程中存在的外部扰动、建模误差以及输入时延的问题,给出了QTR的动力学模型,并采用基于扰动观测器的控制方法,设计了QTR的位置控制器。内回路的姿态控制器采用鲁棒伺服线性二次型最优控制器。仿真实验部分,设计了相应的飞行场景对设定的轨迹进行跟踪。仿真实验表明,所设计的基于扰动观测器的位置控制器能有效地实现对期望轨迹的跟踪,使得QTR能兼顾传统旋翼飞行器的飞行功能,同时又能像固定翼一样进行长距离快速飞行。     

基于趋近律滑模的四旋翼飞行器姿态控制

针对存在扰动因素影响下的四旋翼飞行器姿态控制问题,设计一种基于趋近律滑模的四旋翼飞行器姿态控制器.首先,通过对螺旋桨的受力分析建立四旋翼飞行器的动力学系统模型.然后,为了实现系统姿态的稳定跟踪控制,采用趋近律滑模控制方法设计控制器,同时应用Lyapunov稳定性分析方法对闭环系统的稳定性进行了证明.最后,通过数值仿真验证了所设计控制方法的有效性.     

多旋翼飞行器建模与控制器设计

随着各项技术的日趋成熟,多旋翼飞行器的控制器设计也愈发受到重视.为了使四旋翼飞行器在复杂环境下可以进行稳定的飞行,设计了四旋翼无人机飞行器的控制器,根据实际情况对数学模型进行简化,建立了一个四旋翼飞行器运动的数学模型;在Simulink中搭建比例积分微分(proportion integration differentiation,PID)控制模型,实现串级PID控制,通过调整PID参数,初步实现了使其稳定飞行的目标.通过在Simulink上搭建系统模型并最终得出仿真结果,证明飞行器的姿态和位置都得到了稳定的控制.