[论文解读] Robust Flight Control of a Small Unmanned Helicopter

Miaolei He, Jilin He+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2021

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 11被引用 12

一句话总结

本文提出了一种结合非线性控制与无模型方法的鲁棒非线性姿态控制律，用于小型无人直升机，在风 gust 和地面效应干扰下通过实验验证。实际飞行结果表明系统具有高度稳定性和鲁棒性，证实了控制器在复杂飞行条件下的有效性与鲁棒性。

ABSTRACT

This paper addresses the design and application controller for a small-size unmanned aerial vehicle (UAV). In this work, the main objective is to study the modeling and attitude controller design for a small size helicopter. Based on a non-simplified helicopter model, a new robust attitude control law, which is combined with a nonlinear control method and a model-free method, is proposed in this paper. Both wind gust and ground effect phenomena conditions are involved in this experiment and the result on a real helicopter platform demonstrates the effectiveness of the proposed control algorithm and robustness of its resultant controller.

研究动机与目标

• 设计一种适用于在真实世界干扰条件下运行的小型无人直升机的鲁棒姿态控制器。
• 解决飞行过程中风 gust 和地面效应带来的挑战。
• 开发一种将非线性控制与无模型技术相结合的控制律，以增强鲁棒性。
• 在真实直升机平台上，在真实飞行条件下验证控制器的性能。

提出的方法

• 以非简化的直升机模型为基础进行控制器设计。
• 通过将非线性控制与无模型方法相结合，开发一种混合控制律，以降低对精确系统建模的依赖。
• 控制器设计用于处理不确定性及外部干扰，如风 gust。
• 在真实的小型无人直升机平台上实现并测试该控制策略。
• 在实验验证中明确包含风 gust 和地面效应条件。
• 通过在动态干扰下的实际飞行实验评估稳定性与性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不确定且动态的飞行条件下，为小型无人直升机设计一种鲁棒姿态控制器？
• RQ2 混合非线性-无模型控制方法在处理风 gust 和地面效应方面的性能如何？
• RQ3 所提出的控制器是否能在缺乏对直升机动力学精确知识的情况下维持稳定性和准确性？
• RQ4 控制器在包含外部干扰的真实飞行实验中表现如何？

主要发现

• 所提出的控制器在风 gust 干扰下成功维持了稳定飞行，表现出高度鲁棒性。
• 控制器有效减轻了起飞和着陆阶段地面效应的影响。
• 在真实直升机平台上的实验结果证实了控制器的稳定性和响应能力。
• 混合控制方法在减少对精确系统建模依赖的同时，保持了高性能。
• 控制器在不同环境条件下多次飞行试验中表现出一致的性能。
• 结果验证了将非线性和无模型控制技术相结合在小型无人机上的有效性。