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一、基本信息：

研究方向：非線性系統(tǒng)理論、方法及應(yīng)用研究

發(fā)表于 International Journal of Robust and Nonlinear Control

影響因子：3.2

二、論文內(nèi)容簡介

本文主要研究四旋翼無人機(jī)(UAV)系統(tǒng)有限時(shí)間容錯(cuò)跟蹤控制問題。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是:

(1)Lyapunov函數(shù)的簡單三次形式應(yīng)用于四旋翼無人機(jī)位置環(huán)控制器設(shè)計(jì);

(2)指令濾波技術(shù)有效地解決了復(fù)數(shù)的推導(dǎo)難題控制器設(shè)計(jì)過程中的耦合矩陣;

(3)改進(jìn)的干擾采用了觀測器和可變閾值事件觸發(fā)機(jī)制四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)。

總之，整體方法結(jié)合了反步法和有限時(shí)間Lyapunov穩(wěn)定性理論，最終證明閉環(huán)系統(tǒng)中全部信號都是有限時(shí)間穩(wěn)定的。

三、研究背景

非線性系統(tǒng)的跟蹤控制問題一直備受矚目。四旋翼無人機(jī)作為一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)簡單、起降方便等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、農(nóng)業(yè)、物流和災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。然而，由于四旋翼在飛行過程中易受陣風(fēng)等不確定外部擾動(dòng)的影響，因此采取適當(dāng)?shù)拇胧?yīng)對未知干擾對飛行的影響至關(guān)重要。近年來，擾動(dòng)觀測器成為減小外部擾動(dòng)影響的有效解決方案之一，其基本思想是利用擾動(dòng)與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的關(guān)系來估計(jì)擾動(dòng)狀態(tài)，并通過反饋控制抵消擾動(dòng)影響，進(jìn)而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。此外，在一些實(shí)際用中，系統(tǒng)快速收斂到穩(wěn)定狀態(tài)是至關(guān)重要的。有限時(shí)間控制是指在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期的性能要求。由于其廣泛的適用性，該方法已被用于各種類型的系統(tǒng)。然而，有限時(shí)間與傳感器故障補(bǔ)償相結(jié)合仍然是一個(gè)相對較新的研究領(lǐng)域。

 四、創(chuàng)新內(nèi)容與工程應(yīng)用價(jià)值

1. 本成果首次解決了傳感器故障情況下四旋翼無人機(jī)的跟蹤控制問題。與現(xiàn)有成果相比，本文采用了簡單的立方型Lyapunov函數(shù)，降低了控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

2. 目前很多相關(guān)成果，所設(shè)計(jì)的四旋翼無人機(jī)控制器沒有考慮復(fù)雜性引起的耦合矢量導(dǎo)數(shù)和反步方法引起的“差分爆炸”問題。本成果通過結(jié)合命令過濾技術(shù)來解決這些挑戰(zhàn)，有效地緩解了上述問題，并提高了控制器設(shè)計(jì)過程的簡單性和靈活性。

3.本成果使用近似導(dǎo)數(shù)定義代替?zhèn)鹘y(tǒng)的擾動(dòng)觀測器。這種修正提高了觀測擾動(dòng)的精度，使其更接近四旋翼系統(tǒng)外部擾動(dòng)的真實(shí)值。此外，本成果提出了開關(guān)閾值的研究進(jìn)展。改進(jìn)后的閾值具有更平滑的交換特性，從而提高了通信資源的利用率。

五、基于靈思創(chuàng)奇設(shè)備

應(yīng)用研究，其關(guān)鍵價(jià)值在于實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)平臺的成果向現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。在本成果的研究過程中，先從理論上進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)分析及理論推導(dǎo)，證明算法的有效性。然后，利用仿真軟件進(jìn)一步證明所提成果的可行性。本成果的創(chuàng)新之一亦體現(xiàn)在所提算法基于靈思創(chuàng)奇公司提供的四旋翼實(shí)驗(yàn)平臺開展實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所本成果的有效性。因此，該成果不僅具有重要的理論意義，也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。