Geometric Backstepping Control of Omnidirectional Tiltrotors Incorporating Servo-Rotor Dynamics for Robustness against Sudden Disturbances
作者: Jaewoo Lee, Dongjae Lee, Jinwoo Lee, Hyungyu Lee, Yeonjoon Kim, H. Jin Kim
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2025-10-02 (更新: 2025-10-15)
💡 一句话要点
针对倾转旋翼无人机，提出考虑伺服-旋翼动力学的几何反步控制，提升抗扰动能力。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 倾转旋翼无人机 几何控制 反步控制 执行器动力学 鲁棒控制
📋 核心要点
- 传统多旋翼飞行器控制忽略了执行器动力学，在剧烈运动或突发扰动下性能受限。
- 利用多旋翼刚体动力学和非线性执行器动力学的级联结构，设计几何反步控制器。
- 实验表明，该控制器在快速跟踪和抗扰动方面优于传统方法，并能避免崩溃。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种用于变倾角全向多旋翼飞行器的几何反步控制器，该控制器显式地考虑了伺服和旋翼的动力学。考虑执行器动力学对于更有效和可靠的操作至关重要，尤其是在激烈的飞行机动或从突发扰动中恢复时。虽然之前的研究已经调查了传统和固定倾角多旋翼飞行器的执行器感知控制，但这些方法依赖于执行器输入和wrench之间的线性关系，无法捕捉到由可变倾角引起的非线性。在这项工作中，我们利用多旋翼飞行器的刚体动力学与其非线性执行器动力学之间的级联结构来设计所提出的反步控制器，并建立整个系统的指数稳定性。此外，我们通过实验揭示了执行器模型中的参数不确定性，并证明了所提出的控制器对这种不确定性保持鲁棒性。在三个实验场景中，将该控制器与未考虑执行器动力学的基线进行了比较：快速平移跟踪、快速旋转跟踪和从突发扰动中恢复。所提出的方法始终实现了更好的跟踪性能，值得注意的是，虽然基线在最快的平移轨迹跟踪和恢复实验中发散并坠毁，但所提出的控制器保持了稳定性并成功完成了任务，从而证明了其有效性。
🔬 方法详解
问题定义：现有针对倾转旋翼无人机的控制方法，通常忽略了伺服电机和旋翼的动力学特性，将执行器输入与无人机的力和力矩直接关联。这种简化在常规飞行条件下尚可接受，但在快速机动或受到外部扰动时，会显著降低控制器的性能，甚至导致系统不稳定。因此，需要设计一种能够显式考虑执行器动力学的控制器，以提高无人机的鲁棒性和控制精度。
核心思路：本文的核心思路是利用反步控制方法，将无人机的刚体动力学和执行器动力学视为一个级联系统。通过逐步设计控制器，首先控制执行器的状态，然后利用执行器的输出来控制无人机的姿态和位置。这种方法能够有效地处理执行器动力学带来的非线性，并提高系统的稳定性。此外，该方法采用几何控制框架，避免了万向节锁等问题。
技术框架：该控制器的整体架构如下：首先，基于期望的无人机姿态和位置，计算出期望的执行器状态（例如，伺服电机的角度和旋翼的转速）。然后，设计一个反步控制器，使实际的执行器状态跟踪期望状态。最后，利用执行器的输出来控制无人机的姿态和位置。整个控制过程是一个闭环反馈系统，能够实时地调整控制信号，以应对外部扰动和模型不确定性。
关键创新：该论文的关键创新在于将几何反步控制方法与执行器动力学建模相结合，设计了一种适用于倾转旋翼无人机的鲁棒控制器。与传统的线性控制方法相比，该方法能够更好地处理执行器动力学带来的非线性，并提高系统的稳定性。此外，该方法还考虑了执行器模型中的参数不确定性，并通过实验验证了控制器的鲁棒性。
关键设计：在控制器设计中，关键的技术细节包括：1) 精确的执行器动力学建模，包括伺服电机和旋翼的动力学特性；2) 基于李雅普诺夫理论的反步控制器设计，保证系统的稳定性；3) 几何控制框架的使用，避免了万向节锁等问题；4) 参数自适应机制的设计，用于补偿执行器模型中的参数不确定性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的控制器在快速平移跟踪、快速旋转跟踪和从突发扰动中恢复等场景下，均优于未考虑执行器动力学的基线控制器。特别是在最快的平移轨迹跟踪和恢复实验中，基线控制器发散并坠毁，而所提出的控制器保持了稳定性并成功完成了任务，验证了其有效性和鲁棒性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于需要高精度和高鲁棒性的无人机任务，例如：复杂环境下的自主导航、快速响应的物流配送、以及在强风等恶劣天气条件下的飞行。通过考虑执行器动力学，可以显著提高无人机的控制性能和安全性，拓展其应用范围。
📄 摘要（原文）
This work presents a geometric backstepping controller for a variable-tilt omnidirectional multirotor that explicitly accounts for both servo and rotor dynamics. Considering actuator dynamics is essential for more effective and reliable operation, particularly during aggressive flight maneuvers or recovery from sudden disturbances. While prior studies have investigated actuator-aware control for conventional and fixed-tilt multirotors, these approaches rely on linear relationships between actuator input and wrench, which cannot capture the nonlinearities induced by variable tilt angles. In this work, we exploit the cascade structure between the rigid-body dynamics of the multirotor and its nonlinear actuator dynamics to design the proposed backstepping controller and establish exponential stability of the overall system. Furthermore, we reveal parametric uncertainty in the actuator model through experiments, and we demonstrate that the proposed controller remains robust against such uncertainty. The controller was compared against a baseline that does not account for actuator dynamics across three experimental scenarios: fast translational tracking, rapid rotational tracking, and recovery from sudden disturbance. The proposed method consistently achieved better tracking performance, and notably, while the baseline diverged and crashed during the fastest translational trajectory tracking and the recovery experiment, the proposed controller maintained stability and successfully completed the tasks, thereby demonstrating its effectiveness.