基于模型补偿控制的矢量四旋翼飞行器的鲁棒控制与最优分配

《The Aeronautical Journal》：Robust control and optimal allocation for vector quadrotor based on model compensation control

针对标准四旋翼机受限于四个独立控制输入无法跟踪任意轨迹的问题，提出矢量四旋翼作动概念，结合SO(3)理论建模与模型补偿控制，并采用序贯二次规划优化控制分配，仿真验证显示轨迹跟踪精度提升及抗干扰能力增强。

　　

摘要

标准四旋翼飞行器的机动性受到固有欠驱动的限制：它们仅有四个独立的控制输入，而其在空间中的位置和姿态需要通过六个自由度（DOF）来确定。因此，四旋翼飞行器无法随时间追踪任意轨迹。为了解决这一限制，提出了一种新的驱动概念，即四旋翼飞行器的螺旋桨可以相对于主体围绕其轴线倾斜——从而形成矢量四旋翼飞行器。为了实现更精确的轨迹追踪，并适应这种矢量四旋翼飞行器模型的特定特性，我们提出了一种新的控制策略。首先，我们将特殊的正交群SO(3)理论与模型补偿控制相结合：SO(3)理论能够准确建模飞行器的旋转动力学，而模型补偿控制则可以减轻未建模的动力学效应和外部干扰，从而确保在各种操作条件下的系统稳定性。其次，我们引入了序列二次规划（SQP）方法来进行控制分配；该方法不仅能够高效计算控制输入，还能优化控制资源的分配，从而提升系统性能——尤其是在复杂的机动场景中。最后，我们将基于SO(3)的控制器与基于SQP的控制分配模块集成在一起，形成了一个统一的控制系统。通过仿真结果验证了这种方法的有效性。这些结果表明，该方法在轨迹追踪精度和抗干扰能力方面都有所提升，从而证实了其在实际应用中的潜力。

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