基于自适应无解缠绕自由四元数滑模控制的稳健和敏捷四旋翼飞行

本文提出了一种新的自适应滑模控制（SMC）框架，用于四旋翼飞行器，在紧张计算约束下实现稳健和敏捷飞行。该控制器解决了先前SMC公式体系结构的关键局限性，包括（i）基于$SO(3)$的方法的收敛缓慢和几乎全局稳定性，（ii）欧拉基于控制器中旋转动力学的过度简化，（iii）四元数基于公式中的解缠绕现象，以及（iv）自适应SMC方案中的增益过度增长问题。通过非光滑稳定性分析，我们为定义在$\mathbb{S}^3$上的非光滑姿态滑动动力学以及位置滑动动力学提供了严格的全局稳定性证明。该控制器在计算上具有高效性，可可靠地运行在资源受限的纳米四旋翼上，实现了250 Hz和500 Hz的姿态控制刷新率。在一系列广泛的硬件实验中进行了超过130次飞行试验，该控制器持续优于三个基准方法，显示出在较低控制 effort 下的优异轨迹跟踪精度和鲁棒性。该控制器实现了激进的机动动作，如动态抛掷启动、翻转机动以及超过3g的加速度，这在一架重量仅32克的纳米四旋翼中都是罕见的。这些结果凸显了在需要稳健高性能飞行控制且计算资源紧张的情况下的巨大潜力。