Guaranteed Cost Attitude Tracking Control for Uncertain Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle Under Safety Constraints

In this paper,guaranteed cost attitude tracking con-trol for uncertain quadrotor unmanned aerial vehicle(QUAV)under safety constraints is studied.First,an augmented system is constructed by the tracking error system and reference system.This transformation aims to convert the tracking control prob-lem into a stabilization control problem.Then,control barrier function and disturbance attenuation function are designed to characterize the violations of safety constraints and tolerance of uncertain disturbances,and they are incorporated into the reward function as penalty items.Based on the modified reward function,the problem is simplified as the optimal regulation problem of the nominal augmented system,and a new Hamilton-Jacobi-Bellman equation is developed.Finally,critic-only rein-forcement learning algorithm with a concurrent learning tech-nique is employed to solve the Hamilton-Jacobi-Bellman equa-tion and obtain the optimal controller.The proposed algorithm can not only ensure the reward function within an upper bound in the presence of uncertain disturbances,but also enforce safety constraints.The performance of the algorithm is evaluated by the numerical simulation.

基于双闭环模糊PID四旋翼无人机姿态控制

因四旋翼无人机(QUAV)采用的是一种欠驱动、非线性的控制系统,飞行过程中极易受到外部因素干扰,对姿态控制带来了巨大的挑战。基于此构建了一种基于双闭环模糊PID控制算法的四旋翼无人机姿态控制方法。首先建立了四旋翼无人机飞控系统位置模型和姿态模型,其次在PID控制的基础上设计了双闭环模糊PID控制器,最后进行Simulink仿真验证其可行性。结果表明,新设计的姿态控制系统具有较好的快速性、稳定性和鲁棒性,为四旋翼无人机姿态控制提供了一种很好的研究思路。

基于双向电机驱动的四旋翼机动飞行控制

四旋翼飞行器(QUAV)的位置、姿态运动控制效果决定了其机动性。为了克服四旋翼系统欠驱动的缺陷,基于四元数表达对一种双向电机驱动的四旋翼进行了动力学建模,包括双向推力作用情况下的全向运动过程分析,并提出了一种姿态与位置控制器及控制分配矩阵设计方法。面向四旋翼的x-z平面模型,设定合理的参数和限制,使用最优规划方法提出了适用于新型四旋翼翻转、竖直等机动飞行轨迹的生成方法,其中推力与转矩都是实现时间最短的最优方案。搭建了包括电子调速器、电机、桨叶、机架等部件在内的详细的仿真试验环境。仿真试验的结果验证了双向电机驱动的四旋翼相比于传统四旋翼,能有效提高姿态跟踪与位置跟踪的精度,提升了飞行器的机动性。

基于观测器的四旋翼无人机故障诊断方法

针对具有非线性项和扰动的四旋翼无人机系统,提出一种基于中间观测器的故障诊断算法,该算法不仅能估计系统的状态,而且能同时对无人机的执行器故障、传感器故障和扰动进行估计。首先,为便于处理传感器故障和扰动,对原系统进行增广;其次,引入一个中间变量,对增广后的系统设计中间观测器,利用该观测器可以得到系统状态、故障和扰动的估计,并采用Lyapunov函数证明了误差系统一致最终有界;最后,通过四旋翼无人机系统的仿真,验证了本文提出的方法可以很好地估计出故障和扰动。

基于NMPC-PID的无人机控制算法

针对无人机控制性能易受风扰影响的情况,设计了一种非线性预测PID控制算法。建立无人机高度与姿态角直接受PID参数控制的动力学模型,采用NNI与NNC复合神经网络对下一时刻无人机所受荷载进行非线性预测,并设计了NMPC-PID控制算法。仿真结果表明,相较于传统PID控制算法,NMPC-PID控制算法在鲁棒性、抗干扰能力方面具有明显优势。实际风扰情况下无人机悬停实验数据分析表明,采用NMPC-PID控制算法的无人机具有能够适应风速变化的特点。

基于期望动态的无人机悬停飞行PD控制器设计

提出一种基于期望动态的PD控制器设计方法用于四旋翼无人机的悬停飞行控制.四旋翼无人机的动力学模型在悬停飞行时的线性模型可以简化为一个二重积分过程.在考虑传感器滞后或处理器延迟情况下,基于期望闭环动态特征方程对PD控制器进行参数整定,同时,对输入饱和引起响应超调的现象进行了仿真分析.仿真表明,所提出的PD控制方法对四旋翼无人机悬停飞行是有效的,其飞行动态响应具有满意性能.

Fixed-Time Controller Design for a Quadrotor UAV with Asymmetric Output Error Constraints

In this article,a fixed-time tracking control strategy is proposed for a quadrotor UAV(QUAV)with external disturbance and asymmetric output error constraints.Firstly,a dynamic model of the QUAV is transformed into a strict feedback system with external disturbance,and it is decoupled into attitude subsystem and position subsystem for simplifying controller design.Secondly,an asymmetric tangent barrier Lyapunov function(ATBLF)is applied to solve the tracking error constraints problem,and a fixed-time control law is designed.Meanwhile,a fixed-time disturbance observer(FTDO)is designed to cope with external disturbance.Then,it is proved that the designed controller guarantees the tracking error remains within the constraint ranges and converges to zero in fixed-time by Lyapunov stability theory.Finally,the effectiveness of the proposed control scheme is verified by numerical simulations.

多四旋翼无人机分布式固定时间自适应编队控制

针对具有外部扰动和参数不确定性的多四旋翼无人机,提出了基于指令滤波反步方法的分布式固定时间自适应编队控制算法.通过引入固定时间指令滤波及构建非光滑误差补偿机制,有效地避免了“复杂性爆炸”问题并在固定时间内移除了滤波误差的影响.此外,通过设计分段函数,巧妙地解决了分布式控制器中存在的奇异性问题.利用固定时间稳定性理论,严格证明了闭环系统是实际固定时间稳定的,且闭环系统中所有信号有界,同时编队跟踪误差在固定时间内收敛到原点附近充分小的邻域内.最后,仿真算例验证了所提出的分布式固定时间控制策略的有效性.

分布式自适应事件触发四旋翼无人机编队控制

针对存在未知外部干扰与计算资源受限的四旋翼无人机编队系统,提出了一种分布式自适应事件触发编队控制方法。首先,使用参数自适应方法来处理未知外部干扰对编队系统造成的不利影响,且参数自适应律仅在事件触发时刻更新,从而降低计算量。其次,基于参数自适应方法与事件触发机制设计分布式编队控制器。此外,通过李雅普诺夫方法证明了闭环系统内所有信号的有界性。最后,通过室内实际飞行试验验证了所提算法的有效性与可靠性。