[论文解读] High-Gain Disturbance Observer for Robust Trajectory Tracking of Quadrotors

Mohammadreza Izadi, Reza Faieghi|arXiv (Cornell University)|May 30, 2023

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用 4

一句话总结

本文提出一种高增益扰动观测器（HGDO），用于四旋翼轨迹跟踪，可实时估计外部扰动并将其反馈至滑模控制（SMC）律中，以增强鲁棒性。HGDO确保扰动估计快速收敛，并通过李雅普诺夫稳定性分析保证跟踪误差有界，显著提升了在风扰、地面效应及未建模动态条件下的轨迹精度与准确性，仿真与硬件实验均验证了其有效性。

ABSTRACT

This paper presents a simple method to boost the robustness of quadrotors in trajectory tracking. The presented method features a high-gain disturbance observer (HGDO) that provides disturbance estimates in real-time. The estimates are then used in a trajectory control law to compensate for disturbance effects. We present theoretical convergence results showing that the proposed HGDO can quickly converge to an adjustable neighborhood of actual disturbance values. We will then integrate the disturbance estimates with a typical robust trajectory controller, namely sliding mode control (SMC), and present Lyapunov stability analysis to establish the boundedness of trajectory tracking errors. However, our stability analysis can be easily extended to other Lyapunov-based controllers to develop different HGDO-based controllers with formal stability guarantees. We evaluate the proposed HGDO-based control method using both simulation and laboratory experiments in various scenarios and in the presence of external disturbances. Our results indicate that the addition of HGDO to a quadrotor trajectory controller can significantly improve the accuracy and precision of trajectory tracking in the presence of external disturbances.

研究动机与目标

• 解决外部扰动（如阵风、气流畸变及地面效应）对四旋翼轨迹跟踪性能的负面影响。
• 克服现有扰动观测器的局限性，包括高复杂度、计算负担重以及滑模与自适应观测器的调参困难问题。
• 基于高增益观测器原理，设计一种简单、计算高效且易于调参的扰动观测器，实现实时扰动估计。
• 将HGDO与标准鲁棒控制器（滑模控制）集成，提升扰动抑制能力，而无需采用更复杂的模型。
• 在多种扰动条件下，通过仿真与真实实验验证HGDO控制框架的有效性。

提出的方法

• 基于辅助变量技术设计高增益扰动观测器（HGDO），以减轻测量噪声放大问题，确保在噪声环境下的鲁棒性。
• 将HGDO公式化为四旋翼六自由度全动力学系统的二阶可控标准型，实现对影响位置与姿态的扰动的直接估计。
• 采用单一标量增益参数进行观测器调参，相比自适应或滑模观测器，显著简化实现与设计复杂度。
• 将HGDO的估计结果集成至滑模控制（SMC）律中，主动补偿扰动，提升轨迹跟踪性能。
• 通过李雅普诺夫稳定性分析，证明扰动估计误差与轨迹跟踪误差均具有半全局一致最终有界性。
• 实现完整的控制架构，结合扩展卡尔曼滤波进行状态估计，并在SMC之上增加HGDO作为额外层，实现扰动的实时补偿。

实验结果

研究问题

• RQ1 高增益扰动观测器（HGDO）是否能在外部扰动下实现快速且精确的扰动估计，以支持四旋翼轨迹跟踪？
• RQ2 将HGDO与滑模控制器集成后，是否相比无扰动估计的标准SMC，能显著提升轨迹跟踪精度与鲁棒性？
• RQ3 在测量噪声与未建模动态存在的情况下，HGDO在地面效应或剧烈机动等复杂场景中的表现如何？
• RQ4 在真实扰动（如风扰与地面效应）下，HGDO能否保持跟踪误差与估计误差的有界性？
• RQ5 HGDO框架是否可推广至除滑模控制外的其他基于李雅普诺夫的控制器？

主要发现

• HGDO实现扰动估计误差快速收敛至真实扰动的可调邻域，具有短的瞬态响应时间。
• 在位置保持实验中，SMC+HGDO方法的跟踪精度高于SMC单独使用，甚至在无扰动情况下也优于SMC，归因于对未建模动态的补偿。
• 在圆形路径跟踪中，HGDO控制器显著降低了位置跟踪误差，验证了其对未建模动态的有效抑制能力。
• 在着陆阶段，HGDO成功估计了由地面效应引起的较大扰动，尤其在z轴方向，实现了更一致且精确的触地定位。
• 扰动估计结果图证实，HGDO捕捉到了未在标称模型中充分描述的地面效应扰动，验证了其对复杂、时变扰动的估计能力。
• 实验结果验证了理论稳定性保证，所有场景下（包括风扰与地面效应）均表现出有界的跟踪与估计误差。