基本信息：

中北大学·仪器与电子学院，研究方向：导航、制导与控制

发表于IEEE ACCESS杂志，影响因子：3.75

论文内容简介：

本文针对风干扰环境下四旋翼无人机鲁棒姿态跟踪问题，提出了一种基于未知动态观测器的四旋翼姿态连续滑模控制方法。首先，为克服经典四旋翼无人机姿态滑模控制抖震问题，基于不变流形思想，设计了适用于四旋翼无人机的未知动态观测器，利用对可测状态的滤波和代数运算来实现干扰的简洁估计，仅需在线调整滤波时间常数，大大方便了硬件实现与验证；其次，设计了一种快速双曲滑模趋近律，确保了滑模变量远离滑模面时快速收敛，接近原点时避免抖震，有效解决了传统滑模理论难以同步实现控制快速性和输入连续光滑的局限性； 最终，基于灵思创奇开发的四旋翼平台开展了室内四旋翼姿态稳定跟踪控制，验证了所提算法的有效性和优势。

研究背景

作为无人机的典型代表，四旋翼由于其结构简单、机动性能好、成本低廉等特点，已被广泛应用各种军、民日常，包含但不限于救援、勘察、探测、定位、航拍、灌溉。四旋翼姿态系统控制是确保其飞行品质，确保任务有效执行的关键基础。针对四旋翼姿态系统，有效的抗扰控制器设计与研究是当前控制和工业应用之中备受关注的热点。

滑模控制理论具有强鲁棒性和突出的抗扰能力，已被广泛应用于四旋翼无人机控制领域。但是，目前大多数四旋翼滑模控制器存在不可避免的控制抖震问题，从资源消耗的角度来看，严重的非连续控制信号会大量消耗能量，甚至造成系统失稳与电机磨损。已报道的基于干扰补偿的消抖滑模控制策略虽然可以有效降低输入抖震，但会导致四旋翼暂态的快速机动性能损失；此外，传统包含微分运算的观测器结果，对于测量输入噪声较为敏感，导致满意的四旋翼姿态控制效果难以获得。因此，如何设计出具有强鲁棒性和快速收敛性的四旋翼姿态跟踪控制器仍是一个具有重要实践价值的科学问题。

论文创新点：

(1)对比现有大多基于干扰补偿的四旋翼滑模控制方案，难以实现  快速收敛与光滑输入的协同设计，所提的新型双曲滑模趋近律能够在不诱发输入抖震的前提下，可有效加快暂态跟踪速度，更全面地保证了四旋翼姿态控制性能；

（2）不同于传统的干扰观测器结构，其大多采用基于微分的干扰观测器设计，不可避免地引入量测高频噪声，所提的未知动态观测器利用简单的滤波操作和代数运算，仅需整定一个滤波时间常数就可以确保对于时变扰动的快速渐近估计。

灵思创奇设备价值

论文在最后给出的实验验证是基于灵思创奇开发的四旋翼台架系统—Links UAV-Testbench。具体而言，通过机载IMU模块测量，解算得到四旋翼无人机的姿态以及角速率信息； MATLAB/SIMULINK环境下编写的控制算法通过编译确认无误后，通过Wi-Fi下载传输至机载飞控板Pixhawk；实验过程中全程加入吹风机模拟的外部剧烈风干扰(5m/s)来验证控制系统的抗扰能力。实验结束后全部的飞行数据都可以通过MATLAB进行导出，方便对飞控性能进行分析和评估。