[论文解读] Robust Attitude Tracking Control of Aerobatic Helicopters: A Geometric Backstepping Approach.

Nidhish Raj, Ravi N. Banavar+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2017

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用 3

一句话总结

本文提出了一种针对小型特技直升机的全局定义鲁棒姿态跟踪控制器，采用几何反步法，整合了完整的旋翼-机身动力学与不确定性建模。该控制器有效处理了结构化的旋翼参数不确定性以及非结构化的外部干扰力矩，在组合干扰下仿真中表现出稳定的性能。

ABSTRACT

Robust attitude tracking control of a small-scale aerobatic helicopter using geometric and backstepping techniques is presented in this article. A nonlinear coupled rotor-fuselage dynamics model of the helicopter is considered, wherein the rotor flap dynamics is modeled as a first order system, while the fuselage is as a rigid body dynamically coupled to the rotor system. The robustness of the controller in the presence of both structured and unstructured disturbances is explored. The structured disturbance is due to uncertainty in the rotor parameters, and the unstructured perturbation is modeled as an exogenous torque acting on the fuselage. The performance of the controller is demonstrated in the presence of both types of disturbances through simulations for a small-scale unmanned helicopter. This work is, possibly, the first systematic attempt at designing a globally defined robust attitude tracking controller for an aerobatic helicopter which retains the rotor dynamics and incorporates the uncertainties involved.

研究动机与目标

• 解决小型特技直升机在完整旋翼-机身耦合条件下缺乏全局定义鲁棒姿态控制器的问题。
• 对由旋翼参数不确定性引起的结构化干扰进行建模与补偿。
• 考虑以机身上的外生力矩形式表示的非结构化干扰。
• 开发一种系统化的控制框架，保留旋翼动力学而不做简化。
• 确保在结构化与非结构化干扰并存条件下具备鲁棒的姿态跟踪性能。

提出的方法

• 建立非线性、耦合的旋翼-机身动力学模型，其中旋翼摆动动力学建模为一阶系统。
• 将机身建模为与旋翼系统动态耦合的刚体。
• 采用几何反步法设计鲁棒控制器，确保全局稳定性。
• 显式建模并补偿由旋翼参数不确定性引起的结构化干扰。
• 将非结构化扰动视为作用于机身的外生力矩。
• 控制器设计确保在两种干扰类型并存的情况下仍能保持姿态跟踪性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否系统性地为保留完整旋翼动力学的特技直升机设计出全局定义的鲁棒姿态跟踪控制器？
• RQ2 该控制器在由旋翼参数不确定性引起的结构化干扰下表现如何？
• RQ3 该控制器在多大程度上能够抑制作用于机身的非结构化外生力矩？
• RQ4 将几何反步法与旋翼动力学建模相结合，是否相比简化模型能提升鲁棒性？
• RQ5 在仿真中，控制器在结构化与非结构化干扰共同作用下的性能如何？

主要发现

• 所提出的控制器实现了对特技直升机系统的全局定义鲁棒姿态跟踪。
• 控制器有效补偿了由旋翼参数不确定性引起的结构化干扰。
• 作用于机身的非结构化外生力矩被成功抑制，保持了跟踪精度。
• 仿真结果证实，在结构化与非结构化干扰共同作用下，系统仍保持稳定且精确的姿态跟踪。
• 本工作首次系统性地将几何反步法应用于保留完整旋翼-机身动力学的特技直升机控制。
• 控制器在不作简化假设的前提下保留了旋翼系统的固有动力学，提升了物理保真度。