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論文案例：基于未知動態觀測器的四旋翼姿態連續滑?？刂品椒ㄅc實驗驗證
基本信息：
中北大學·儀器與電子學院，研究方向：導航、制導與控制
發表于IEEE ACCESS雜志，影響因子：3.75
論文內容簡介：
本文針對風干擾環境下四旋翼無人機魯棒姿態跟蹤問題，提出了一種基于未知動態觀測器的四旋翼姿態連續滑模控制方法。首先，為克服經典四旋翼無人機姿態滑模控制抖震問題，基于不變流形思想，設計了適用于四旋翼無人機的未知動態觀測器，利用對可測狀態的濾波和代數運算來實現干擾的簡潔估計，僅需在線調整濾波時間常數，大大方便了硬件實現與驗證；其次，設計了一種快速雙曲滑模趨近律，確保了滑模變量遠離滑模面時快速收斂，接近原點時避免抖震，有效解決了傳統滑模理論難以同步實現控制快速性和輸入連續光滑的局限性； 最終，基于靈思創奇開發的四旋翼平臺開展了室內四旋翼姿態穩定跟蹤控制，驗證了所提算法的有效性和優勢。
研究背景
作為無人機的典型代表，四旋翼由于其結構簡單、機動性能好、成本低廉等特點，已被廣泛應用各種軍、民日常，包含但不限于救援、勘察、探測、定位、航拍、灌溉。四旋翼姿態系統控制是確保其飛行品質，確保任務有效執行的關鍵基礎。針對四旋翼姿態系統，有效的抗擾控制器設計與研究是當前控制和工業應用之中備受關注的熱點。
滑?？刂评碚摼哂袕婔敯粜院屯怀龅目箶_能力，已被廣泛應用于四旋翼無人機控制領域。但是，目前大多數四旋翼滑?？刂破鞔嬖诓豢杀苊獾目刂贫墩饐栴}，從資源消耗的角度來看，嚴重的非連續控制信號會大量消耗能量，甚至造成系統失穩與電機磨損。已報道的基于干擾補償的消抖滑?？刂撇呗噪m然可以有效降低輸入抖震，但會導致四旋翼暫態的快速機動性能損失；此外，傳統包含微分運算的觀測器結果，對于測量輸入噪聲較為敏感，導致滿意的四旋翼姿態控制效果難以獲得。因此，如何設計出具有強魯棒性和快速收斂性的四旋翼姿態跟蹤控制器仍是一個具有重要實踐價值的科學問題。
論文創新點：
(1)對比現有大多基于干擾補償的四旋翼滑?？刂品桨福y以實現 快速收斂與光滑輸入的協同設計，所提的新型雙曲滑模趨近律能夠在不誘發輸入抖震的前提下，可有效加快暫態跟蹤速度，更全面地保證了四旋翼姿態控制性能；
（2）不同于傳統的干擾觀測器結構，其大多采用基于微分的干擾觀測器設計，不可避免地引入量測高頻噪聲，所提的未知動態觀測器利用簡單的濾波操作和代數運算，僅需整定一個濾波時間常數就可以確保對于時變擾動的快速漸近估計。
靈思創奇設備價值
論文在最后給出的實驗驗證是基于靈思創奇開發的四旋翼臺架系統—Links UAV-Testbench。具體而言，通過機載IMU模塊測量，解算得到四旋翼無人機的姿態以及角速率信息； MATLAB/SIMULINK環境下編寫的控制算法通過編譯確認無誤后，通過Wi-Fi下載傳輸至機載飛控板Pixhawk；實驗過程中全程加入吹風機模擬的外部劇烈風干擾(5m/s)來驗證控制系統的抗擾能力。實驗結束后全部的飛行數據都可以通過MATLAB進行導出，方便對飛控性能進行分析和評估。