基于L1自适应控制与扩展状态观测器的固定翼无人机复合姿态控制方法研究

《Actuators》：An L1 Adaptive Control Method with an Extended State Observer for Fixed-Wing UAV Attitude Control

　　

摘要

为了解决固定翼无人机（UAVs）在复杂飞行环境中运行时出现的非线性强耦合、时变参数和外部风扰等问题，本研究开发了一种集成 L₁ 自适应控制和扩展状态观测器（ESO）的复合姿态控制方法。首先，建立了考虑非线性气动特性和通道耦合的俯仰和滚转姿态动力学模型。基于这些模型，开发了一种复合控制架构，其中 L₁ 自适应控制器建立了基于预测误差驱动的基准指令跟踪回路，并通过低通滤波自适应通道引入匹配不确定性补偿；而 ESO 估计广义扩展状态，并在去除已知的名义漂移项后，基于由此产生的集总扰动估计提供经过独立缩放的辅助前馈校正。尽管这两种机制观测到的不确定性内容可能部分重叠，但它们的控制作用是通过残差闭环扰动和预测误差驱动的自适应过程进行协调的，而不是以全幅值独立叠加。由于在 ESO 作用后，L₁ 自适应律仍由残差状态预测误差驱动，因此这两种机制动态重新分配补偿工作，而不是简单地重复。通过典型工况下的仿真，对比评估了比例 - 积分 - 微分（PID）控制器、传统 L₁ 自适应控制器和所提方法的控制性能，包括阶跃响应、正弦跟踪、复合风扰和测量噪声。结果表明，在大多数测试条件下，与 PID 和传统 L₁ 控制相比，瞬态响应和扰动/噪声抑制能力有所提高，而高频跟踪优势则因通道而异。总体而言，所提方法在保持有界跟踪性能的同时，提高了瞬态响应和扰动/噪声抑制能力。所提方法为提高在复杂环境中运行的固定翼无人机的姿态控制性能提供了一种有效途径。