Quaternion-based Adaptive Backstepping Fast Terminal Sliding Mode Control for Quadrotor UAVs with Finite Time Convergence

要約

この論文では、作動が不十分な無人航空機 (UAV) の並進 (位置と線形速度) および回転 (姿勢と角速度) 軌道を追跡するための新しい四元数ベースのアプローチを提案します。
クアッドローター UAV は、精度、特異性、不確実性の問題に関して課題を抱えています。
単位四元数に基づいて設計されたコントローラーは、複数の方向で車両の姿勢を表現できない他の方法 (オイラー角など) と比較して、姿勢表現に特異性がありません。
クォータニオンベースの適応バックステッピング制御 (ABC) と適応高速ターミナル スライディング モード制御 (AFTSMC) は、一連の困難な問題に対処するために提案されています。
優れた再帰的アプローチである四元数ベースの ABC は、未知の不確実性を処理する必要な推力と UAV 移動軌道追跡を生成するために提案されています。
次に、パラメトリックな不確実性を克服し、特異点を回避し、有限時間内での高速収束を保証するために、クォータニオン ベースの AFTSMC が開発されます。
さらに、提案されたAFTSMCは、アクチュエータ故障の主な原因である制御信号のチャタリングを大幅に最小限に抑え、スムーズで正確な回転制御入力を提供することができます。
提案されたアプローチの堅牢性を確保するために、未知の時変パラメトリック不確実性と重大な初期化エラーを考慮して、設計された制御アルゴリズムが検証されています。
提案された技術は、最先端の制御技術と比較されました。
キーワード: 適応バックステッピング制御 (ABC)、適応高速ターミナル スライディング モード制御 (AFTSMC)、単位四元数、無人航空機、特異点フリー、姿勢制御

要約(オリジナル)

This paper proposes a novel quaternion-based approach for tracking the translation (position and linear velocity) and rotation (attitude and angular velocity) trajectories of underactuated Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Quadrotor UAVs are challenging regarding accuracy, singularity, and uncertainties issues. Controllers designed based on unit-quaternion are singularity-free for attitude representation compared to other methods (e.g., Euler angles), which fail to represent the vehicle’s attitude at multiple orientations. Quaternion-based Adaptive Backstepping Control (ABC) and Adaptive Fast Terminal Sliding Mode Control (AFTSMC) are proposed to address a set of challenging problems. A quaternion-based ABC, a superior recursive approach, is proposed to generate the necessary thrust handling unknown uncertainties and UAV translation trajectory tracking. Next, a quaternion-based AFTSMC is developed to overcome parametric uncertainties, avoid singularity, and ensure fast convergence in a finite time. Moreover, the proposed AFTSMC is able to significantly minimize control signal chattering, which is the main reason for actuator failure and provide smooth and accurate rotational control input. To ensure the robustness of the proposed approach, the designed control algorithms have been validated considering unknown time-variant parametric uncertainties and significant initialization errors. The proposed techniques has been compared to state-of-the-art control technique. Keywords: Adaptive Backstepping Control (ABC), Adaptive Fast Terminal Sliding Mode Control (AFTSMC), Unit-quaternion, Unmanned Aerial Vehicles, Singularity Free, Pose Control

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