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基于在线参数辨识的INDI控制四旋翼鲁棒H∞控制器设计

文章摘要

本文提出了一种基于增量非线性动态逆(INDI)内环的鲁棒增益调度控制器,用于四旋翼姿态控制。利用在线参数辨识在0.5秒内估计所有物理参数,并采用信号基H∞闭环整形合成增益调度级联姿态控制器。仿真和飞行实验验证了该方法在参数不确定性下的良好稳定性和跟踪性能。

来源arXiv Robotics作者: Tom Aantjes, Till M. Blaha, Spilios Theodoulis, Ewoud J. J. Smeur
基于在线参数辨识的INDI控制四旋翼鲁棒H∞控制器设计
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四旋翼无人机的姿态控制是自主飞行的关键,尤其是在快速部署场景(如空中抛投)中,要求系统能在极短时间内完成参数辨识并稳定飞行。近年来,增量非线性动态逆(INDI)控制因其对模型不确定性的鲁棒性而受到广泛关注,但INDI控制器的全部物理参数通常需要离线标定,且缺乏一种鲁棒的外环增益调节方法。本文由Tom Aantjes等人提出了一种结合在线参数辨识与鲁棒增益调度控制的完整方案,旨在解决这一难题。

该研究首先验证了多旋翼飞行器上所有INDI控制器物理参数可在半秒内在线估计完成,这一速度足以在飞行器被抛入空中的短暂过程中完成完整辨识。基于此,作者针对对称四旋翼设计了一种增益调度级联姿态控制器,采用信号基H∞闭环整形方法综合出包含前馈滤波器的控制结构。该控制器能够根据在线辨识出的系统参数自动调整外环增益,从而在模型参数发生较大变化时仍能维持良好的稳定裕度和跟踪性能。

非线性仿真结果表明,在设定的参数不确定性范围内,控制器具有理想的跟踪精度和稳定性。更进一步的飞行实验在完全在线参数辨识的条件下进行,即使实际辨识出的参数远超预设的不确定性边界,只要执行器时间常数低于40毫秒,飞行性能仍可接受且与仿真结果相当。这一发现表明,所提方法具有极强的鲁棒性和实用性,尤其适合需要快速部署和自适应调整的四旋翼应用场景。

该研究已被2026年ICUAS会议录用,全文8页,包含11幅图表。未来工作可探索将该方法扩展到更复杂的飞行器构型或更严苛的飞行条件。

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要点

  • 在线参数辨识能在0.5秒内估计INDI控制器的所有物理参数。
  • 设计了基于H∞的鲁棒增益调度姿态控制器。
  • 非线性仿真确认了不确定性下的跟踪性能。
  • 飞行测试显示即使参数超出不确定范围,仍能保持可接受的性能(执行器时间常数低于40毫秒)。

要点与分析由自动化流程生成,可能有误,请结合原始来源核实。