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
针对倾转旋翼飞行器，提出考虑伺服-旋翼动态特性的几何反步控制，提升抗扰动能力。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 倾转旋翼飞行器 几何反步控制 伺服动态 旋翼动态 鲁棒控制 抗扰动 非线性控制
📋 核心要点
- 传统多旋翼控制忽略执行器动态，在高动态场景或突发扰动下性能受限，甚至可能导致系统崩溃。
- 论文利用多旋翼刚体动力学与非线性执行器动力学之间的级联结构，设计几何反步控制器，保证系统稳定性。
- 实验表明，所提出的控制器在快速跟踪和抗扰动方面优于传统方法，并在基线方法失效的场景中保持稳定。
📝 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态特性。考虑执行器动态特性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态特性的基线进行了比较：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，在最快的平移轨迹跟踪和恢复实验中，基线发散并坠毁，而所提出的控制器保持了稳定性并成功完成了任务，从而证明了其有效性。
🔬 方法详解
问题定义：现有针对倾转旋翼飞行器的控制方法，通常忽略了伺服机构和旋翼的动态特性，将执行器输入与产生的力和力矩直接线性关联。这种简化在低动态场景下尚可接受，但在高动态飞行或面对突发扰动时，会显著降低控制性能，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态特性的控制方法，以提高倾转旋翼飞行器的鲁棒性和控制精度。
核心思路：论文的核心思路是利用反步控制方法，将多旋翼飞行器的刚体动力学与非线性执行器动力学视为一个级联系统。通过逐级设计控制器，首先控制执行器的状态，然后利用执行器的状态来控制飞行器的姿态和位置。这种方法能够有效地处理执行器动态带来的非线性影响，并保证整个系统的稳定性。
技术框架：该控制器的整体架构可以分为以下几个主要模块： 1. 期望轨迹生成器：根据任务需求生成期望的位置、姿态和速度轨迹。 2. 外环控制器：基于期望轨迹和当前飞行器的位置、姿态信息，计算出期望的力和力矩。 3. 内环控制器（反步控制器）：根据期望的力和力矩，以及执行器的当前状态，计算出执行器的控制输入。该控制器是基于反步控制方法设计的，能够显式地考虑伺服机构和旋翼的动态特性。 4. 执行器：根据控制输入，调整伺服机构的角度和旋翼的转速，从而产生所需的力和力矩。
关键创新：该论文最重要的技术创新点在于，提出了一种针对倾转旋翼飞行器的几何反步控制器，该控制器能够显式地考虑伺服机构和旋翼的动态特性。与现有方法相比，该方法不需要对执行器动态进行线性化近似，能够更准确地描述系统的行为，从而提高控制性能和鲁棒性。此外，该控制器还能够处理执行器模型中的参数不确定性，进一步提高了系统的可靠性。
关键设计：在反步控制器的设计中，需要仔细选择合适的中间控制变量和李雅普诺夫函数，以保证系统的稳定性。此外，还需要对执行器模型进行精确的辨识，以获得准确的参数值。论文通过实验揭示了执行器模型中的参数不确定性，并设计了鲁棒控制策略来应对这些不确定性。具体的参数设置和损失函数选择在论文中有详细描述。
📊 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中，均优于未考虑执行器动态特性的基线方法。在最快的平移轨迹跟踪和恢复实验中，基线方法出现发散并坠毁，而所提出的控制器能够保持稳定并成功完成任务。这充分证明了所提出的控制器在提高倾转旋翼飞行器的鲁棒性和控制性能方面的有效性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于需要高精度控制和强抗扰动能力的倾转旋翼飞行器，例如：复杂环境下的自主巡检、高精度物流配送、以及灾难救援等场景。通过考虑执行器动态特性，可以显著提高飞行器的安全性和可靠性，使其能够在更具挑战性的环境中执行任务。未来，该方法有望推广到其他类型的多旋翼飞行器和机器人系统。
📄 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.