欠驱动无人飞行器自适应轨迹跟踪与路径跟踪控制

The project is devoted to improving the tracking capability and flight performance of Unmanned Aerial Vehicles (UAV), and investigating new control methodologies suitable for underactuated UAV tracking control.In view of the aerodynamic model uncertainties, unknown external air disturbances and control constraints, this project takes the underactuated quadrotor helicopter system as a controlled plant to study the corresponding trajectory tracking and path following control design principle and method, including (1) adaptive trajectory tracking control with aerodynamic model uncertainty and unknown external air disturbance, (2) guidance integrated path following control based on Parallel-Transport frame, (3) modified Rodrigues parameter based nested saturation tracking control, (4) adaptive command filtered trajectory tracking control with magnitude and rate constraint, as well as (5) numerical simulation and real-time flight experiment of an unmanned Quadrotor helicopter. Viathework supported by this project, it will provide several effectivetraking and saturation control design methodolies for the unmanned quadrotor helicopter, and therefore willpromote the research of the UAV flight control theory and theapplication of the nonlinear control theory in practice.

本项目以提高无人飞行器（UAV）跟踪性能和飞行品质为目标，探索适用于欠驱动UAV跟踪控制新方法，以欠驱动四旋翼无人直升机系统为具体研究对象，针对存在气动模型不确定、未知气流扰动以及控制受限等问题，研究相应的轨迹跟踪和路径跟踪控制设计原理和方法。主要内容包括：（1）含模型气动参数不确定和外界气流扰动未知的自适应轨迹跟踪控制；（2）基于Parallel-Transport坐标系的制导与控制融合路径跟踪控制；（3）基于修正罗格里德参数的嵌套饱和跟踪控制；（4）含幅值和速率限制的自适应指令滤波轨迹跟踪控制；（5）数值仿真与四旋翼无人直升机飞行实验验证。通过本项目的研究，不仅能够为四旋翼无人直升机提供有效的跟踪控制和饱和控制设计方法，也丰富了UAV飞行控制理论的研究，促进了非线性控制理论在实际中的应用，具有重要的科学意义和实用价值。

欠驱动无人飞行器的鲁棒飞行控制是无人机自主控制研究当中备受关注的科学和工程问题，针对无人飞行器气动模型的不确定性、未知气流扰动、控制受限以及位置受限等问题，研究相应的轨迹跟踪和路径跟踪控制原理和方法具有重要意义。本项目针对这类问题进行了深入的研究：1）基于L1自适应控制结构，提出了一种四旋翼无人飞行器轨迹跟踪控制算法，解决复杂环境下存在气流扰动和气动模型不确定的轨迹跟踪控制，并保证闭环系统的暂态响应性能和鲁棒性；2）基于隐函数路径描述方法，提出了一种四旋翼无人飞行器路径跟踪控制算法，有效避免传统路径跟踪控制奇异问题，并实现制导与控制融合；3）基于修正的罗格里德姿态参数描述，提出了一种控制受限情况下的四旋翼无人飞行器轨迹跟踪控制算法，给出控制器参数选择的充分条件，保证闭环系统的稳定性；4）基于Barrier李雅普罗夫函数，提出了一种输出受限下的四旋翼无人飞行器自适应轨迹跟踪控制算法，保证系统的输出位置始终限制在预先给定的范围内，从而实现四旋翼的安全飞行。通过本项目的研究，为一类欠驱动无人飞行器在不同飞行条件和任务下，提供有效的控制系统设计和研究的新方法。