一类欠驱动系统的控制设计及其在无人飞行器中的应用

This project focuses on control design for 6 degree of freedom single-body underactuated systems, and the obtained research results will be applied to control the low-speed unmanned aerial vehicles(UAV) derived by propellers. Main researching contents are as follows: 1) New stabilization and tracking control design methods for single-body underactuated systems (including path following control based on partial feedback linearization as well as stability analysis for zero dynamics of associate closed-loop systems, point stabilization and trajectory tracking control based on energy shaping). 2) control design for single-body underactuated systems with fast time-varying unstructured uncertainties. 3) Energy constrained control design for single-body underactuated systems (including energy optimized tracking control design and input constrained control design). The obtained theoretical results will be applied to design controller for multi-rotor UAV, unmanned helicopters, stratospheric airships and satellites. The related experimental research will be carried on a model-scaled autonomous helicopter testbed and an airship semi-physical simulation system to verify practicability and effectiveness of the proposed controllers.

本项目研究以6自由度单一刚体构成的欠驱动系统控制设计问题，并将结果用于以螺旋桨为动力的低速无人飞行器控制设计中。主要研究内容为：1）单体欠驱动系统镇定和跟踪控制设计新方法（包括基于部分线性化的路径跟踪控制设计和闭环系统零动态分析，以及基于能量整形的定点镇定和轨迹跟踪控制设计）；2）含快时变非结构不确定性时的运动控制设计；3）能量受限运动控制设计（包括能量优化跟踪控制和输入受限控制设计）。所得理论结果将用于设计含模型不确定性多旋翼无人飞行器、无人直升机、平流层飞艇和平流层卫星等的先进控制律，并在微型无人直升机实验平台和飞艇半实物仿真系统上进行实验研究，以验证所提出方法的实用性和有效性。

本项目紧密结合欠驱动无人飞行器控制的应用背景，研究多运动自由度的单刚体欠驱动系统新型控制策略设计问题，主要研究成果为： .在基于能量整形的欠驱动力学系统控制设计方面，对受控拉格朗日函数法导出了求解其匹配条件的新算法，提出了欠驱动系统镇定控制设计新方法，进而将其推广到欠驱动系统轨迹跟踪控制中，并进一步改进为能用于含模型不确定性欠驱动系统控制设计的新方法。还借鉴受控拉格朗日函数法的设计思路，对微重力环境下运行的含模型不确定性欠驱动航天器提出了基于动能整形的角速度镇定控制新方法。这一方面的研究成果是对欠驱动非线性力学系统控制设计的主要方法——受控拉格朗日函数法的重要改进，不仅提出了新的控制设计算法，还将其从只能用于确定性欠驱动系统的镇定控制设计推广到还能用于含模型不确定性欠驱动系统及轨迹跟踪控制设计，大大扩展了这一方法的应用范围和适用对象，使其在理论和应用上更加完善。.在含模型不确定性和受控制能量约束的欠驱动无人飞行器控制设计方面，提出了多种新的轨迹跟踪和路径跟踪控制方法，可使欠驱动无人飞行器克服模型不确定性的影响、满足控制输入受限条件且避免控制算法的奇异性，高精度完成跟踪控制任务。还将控制能耗引入到非线性预测控制的性能指标中推导出改进的预测控制律，使其能用于需考虑控制能耗限制的无人飞行器设计中，可实现控制性能与能耗的综合优化。这一部分研究工作是面向实际工程对象亟需解决的关键技术问题而进行的有针对性研究，所得结果具有实际工程应用价值。.以上理论结果被用来设计四旋翼飞行器、无人直升机、平流层飞艇、欠驱动卫星、垂直起降飞机等典型欠驱动飞行器的控制律，并用仿真结果验证了其有效性，且其中部分结果已应用于实际平流层飞艇的飞行控制系统设计中。.