无人直升机的预定义时间跟踪控制：一种基于时变增益扰动观测器的方法

摘要

针对时变扰动环境下无人直升机的轨迹跟踪问题，提出了一种预定义时间跟踪控制方案。旨在突破现有有限时间(Finite-Time)控制对初始状态的依赖性以及固定时间(Fixed-Time)控制收敛时间上界估计保守的局限，引入预定义时间理论，实现了仅需单一控制参数即可精准预设系统收敛时间的目标，且无需复杂的参数整定。首先，构建无人直升机非线性动力学模型，并设计时变增益扰动观测器以对未知时变扰动进行估计。其次，基于观测补偿机制，提出一种基于滑模的预定义时间控制器，确保直升机姿态与高度在预设的时间窗口内严格收敛至期望轨迹，该过程完全独立于系统初始状态。基于Lyapunov稳定性理论的严格分析证实了闭环系统的预定义时间收敛特性。最后，对比仿真实验表明，该策略在收敛时间的可控性、跟踪误差抑制及稳态鲁棒性方面均显著优于现有控制方法。

关键词

无人直升机 / 扰动观测器 / 预定义时间控制 / 滑模控制 / 跟踪控制

基金资助

国家自然科学基金项目(62303264); 山东省自然科学基金项目(ZR2022QF021)资助