基于Lyapunov的切换姿态控制器在飞行中用于能量高效扭矩输入选择的闭环稳定性

我们提出了一种新的基于Lyapunov的切换姿态控制器，用于在飞行中高效实时选择输入到无人驾驶航空器（UAV）的扭矩。该方法使用四元数来描述受控UAV的姿态，交换了结果的闭环（CL）切换动力学中两个不动点的稳定性属性——一个局部渐近稳定，另一个不稳定。在该方法中，切换事件由复合能量函数的值触发。为了分析和确保CL切换动力学的稳定性，我们结合切换系统理论，使用经典的非线性Lyapunov技术。为此，我们引入了一个新的复合Lyapunov函数（LF），它不仅使我们能够推导出CL渐近和指数稳定性的条件，还提供了CL系统吸引域的估计。这个新估计值远大于此前针对本文所考虑类型系统报告的估计值。为了测试和展示所提出方法的功能性、适用性和性能，我们展示并讨论了使用31克四旋翼无人机在执行高速偏航跟踪机动时获得的实验数据。此外，我们提供了经验证据表明，根据估计，这些机动所选择的所有初始条件均位于系统的吸引域内。最后，通过这些飞行测试获得的实验数据表明，在执行特定类型的高速偏航跟踪机动时，所提出的切换控制器平均将控制力矩降低了约53%，相比于常用的基准控制方案。