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基於在線參數辨識的INDI控制四旋翼魯棒H∞控制器設計

文章摘要

本文提出了一種基於增量非線性動態逆(INDI)內環的魯棒增益調度控制器,用於四旋翼姿態控制。利用在線參數辨識在0.5秒內估計所有物理參數,並採用信號基H∞閉環整形合成增益調度級聯姿態控制器。仿真和飛行實驗驗證了該方法在參數不確定性下的良好穩定性和跟蹤性能。

來源arXiv Robotics作者: Tom Aantjes, Till M. Blaha, Spilios Theodoulis, Ewoud J. J. Smeur
基於在線參數辨識的INDI控制四旋翼魯棒H∞控制器設計
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四旋翼無人機的姿態控制是自主飛行的關鍵,尤其是在快速部署場景(如空中拋投)中,要求系統能在極短時間內完成參數辨識並穩定飛行。近年來,增量非線性動態逆(INDI)控制因其對模型不確定性的魯棒性而受到廣泛關注,但INDI控制器的全部物理參數通常需要離線標定,且缺乏一種魯棒的外環增益調節方法。本文由Tom Aantjes等人提出了一種結合在線參數辨識與魯棒增益調度控制的完整方案,旨在解決這一難題。

該研究首先驗證了多旋翼飛行器上所有INDI控制器物理參數可在半秒內在線估計完成,這一速度足以在飛行器被拋入空中的短暫過程中完成完整辨識。基於此,作者針對對稱四旋翼設計了一種增益調度級聯姿態控制器,採用信號基H∞閉環整形方法綜合出包含前饋濾波器的控制結構。該控制器能夠根據在線辨識出的系統參數自動調整外環增益,從而在模型參數發生較大變化時仍能維持良好的穩定裕度和跟蹤性能。

非線性仿真結果表明,在設定的參數不確定性範圍內,控制器具有理想的跟蹤精度和穩定性。更進一步的飛行實驗在完全在線參數辨識的條件下進行,即使實際辨識出的參數遠超預設的不確定性邊界,只要執行器時間常數低於40毫秒,飛行性能仍可接受且與仿真結果相當。這一發現表明,所提方法具有極強的魯棒性和實用性,尤其適合需要快速部署和自適應調整的四旋翼應用場景。

該研究已被2026年ICUAS會議錄用,全文8頁,包含11幅圖表。未來工作可探索將該方法擴展到更復雜的飛行器構型或更嚴苛的飛行條件。

展開要點與分析

文章情報

工程師進階

要點

  • 在線參數辨識能在0.5秒內估計INDI控制器的所有物理參數。
  • 設計了基於H∞的魯棒增益調度姿態控制器。
  • 非線性仿真確認了不確定性下的跟蹤性能。
  • 飛行測試顯示即使參數超出不確定範圍,仍能保持可接受的性能(執行器時間常數低於40毫秒)。

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