Adaptive Backstepping and Non-singular Sliding Mode Control for Quadrotor UAVs with Unknown Time-varying Uncertainties

要約

この論文では、作動不足の垂直離着陸 (VTOL) 無人航空機 (UAV) のための新しい四元数ベースの非特異制御システムを紹介します。
位置と姿勢の追跡は、特異性と精度の点で困難です。
クォータニオンベースの適応バックステッピング制御 (QABC) は、カスケード方式で UAV 制御システムの作動不足の問題に取り組むために開発されました。
QABCで開発した仮想制御（補助制御）を活用し、所望の姿勢成分と必要な推力を生成します。
その後、安定性を向上させ、チャタリングの問題を軽減するために、クォータニオンベースのスライディング モード制御 (QASMC) を提案します。
従来のSMCに比べ、摺動面を改良し特異点を回避しました。
コントローラーの堅牢性を向上させるために、制御パラメーターは適応則を使用して更新されます。
さらに、並進および回転ダイナミクスの漸近安定性は、リアプノフ安定性とバーバレー補題を利用することによって保証されます。
最後に、未知の時変パラメーターの不確実性と重大な初期誤差が存在する場合の提案されたコントローラーの有効性を検証するために、包括的な比較結果が提供されます。
キーワード: 非特異スライディング モード制御、適応バックステッピング制御、単位四元数、ドローン、無人航空機、漸近安定性、位置および方向制御

要約(オリジナル)

This paper presents a novel quaternion-based nonsingular control system for underactuated vertical-take-off and landing (VTOL) Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Position and attitude tracking is challenging regarding singularity and accuracy. Quaternion-based Adaptive Backstepping Control (QABC) is developed to tackle the underactuated issues of UAV control systems in a cascaded way. Leveraging the virtual control (auxiliary control) developed in the QABC, desired attitude components and required thrust are produced. Afterwards, we propose Quaternion-based Sliding Mode Control (QASMC) to enhance the stability and mitigate chattering issues. The sliding surface is modified to avoid singularity compared to conventional SMC. To improve the robustness of controllers, the control parameters are updated using adaptation laws. Furthermore, the asymptotic stability of translational and rotational dynamics is guaranteed by utilizing Lyapunov stability and Barbalet Lemma. Finally, the comprehensive comparison results are provided to verify the effectiveness of the proposed controllers in the presence of unknown time-varying parameter uncertainties and significant initial errors. Keywords: Non-singular Sliding Mode Control, Adaptive Backstepping Control, Unit-quaternion, Drones, Unmanned Aerial Vehicles, Asymptotic Stability, Position and Orientation Control

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