0.這篇文章干了啥？

這篇文章主要研究了四軸飛行器在避開障礙物時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制問題。他們提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，基于低成本的動(dòng)態(tài)線性優(yōu)化，針對(duì)不確定條件下的障礙物進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制。首先，他們提出了一種針對(duì)無人機(jī)模型的非線性變量增益PID（NLVG-PID）控制器。其次，他們采用極值搜索（ES）算法來學(xué)習(xí)在離線最大或最小誤差階躍信號(hào)中的最佳NLVG-PID參數(shù)。最后，他們進(jìn)行了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，并表明所提出的自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制器可以減少在典型3D路徑曲線（如風(fēng)暴路徑）中的響應(yīng)超調(diào)和穩(wěn)定時(shí)間。

下面一起來閱讀一下這項(xiàng)工作~

1. 論文信息

論文題目：Low-cost adaptive obstacle avoidance trajectory control for express delivery drone

作者：Yanhui Zhang, Caisheng Wei等

作者機(jī)構(gòu)：School of Aeronautics and Astronautics, Zhejiang University等

2. 摘要

本文研究了用于快遞投遞的四軸飛行器障礙物避障軌跡控制（OATC）問題。提出了一種新的非線性自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制器，該控制器成本低廉且適用于不同輪距大小的無人機(jī)，以適應(yīng)無人機(jī)投遞任務(wù)中的大角度機(jī)動(dòng)和負(fù)載變化。該控制器由非線性可變?cè)鲆妫∟LVG）函數(shù)和極值搜索（ES）算法組成，以減小超調(diào)和穩(wěn)定時(shí)間。最后，在四軸飛行器上進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的控制方案在兩種典型的無碰撞軌跡下的有效性。

3. 效果展示

3D視圖中的風(fēng)暴類型障礙物避讓路徑。

在X-Y視圖中的風(fēng)暴類型障礙物避讓路徑。

3D視圖中的利薩茹型路徑。

X-Y視圖中的利薩茹型路徑。

4. 主要貢獻(xiàn)

分析了固定增益PID控制器的結(jié)構(gòu)以及非線性動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于遞送四軸飛行器的NLVG-PID控制器，并引入了極值搜索來學(xué)習(xí)在邊界條件下的最優(yōu)非線性PID參數(shù)。據(jù)作者所知，這是第一個(gè)在遞送無人機(jī)中使用的NLVG-PID障礙物避障控制器。

在四軸飛行器上進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的控制方案在兩種典型的無碰撞軌跡下的有效性。

5. 基本原理是啥？

這篇文章的基本原理是通過設(shè)計(jì)一種新穎的非線性自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制器，用于快遞四軸飛行器的障礙物避免軌跡控制問題。該控制器結(jié)合了非線性可變?cè)鲆妫∟LVG）函數(shù)和極值搜索（ES）算法，以適應(yīng)無人機(jī)快遞任務(wù)中的大角度機(jī)動(dòng)和負(fù)載變化。NLVG函數(shù)用于替代傳統(tǒng)固定增益PID控制器中的固定增益項(xiàng)，以提高控制器對(duì)不同大小誤差的快速控制能力。ES算法用于學(xué)習(xí)在邊界條件下的最佳非線性PID參數(shù)。通過這種方式，文章提出的控制方案能夠有效地實(shí)現(xiàn)四軸飛行器在兩種典型的無碰撞軌跡下的障礙物避免控制。

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6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了NLVG-PID控制器在四軸飛行器的障礙物避讓軌跡控制中的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

風(fēng)暴路徑跟隨實(shí)驗(yàn)：在設(shè)計(jì)的風(fēng)暴路徑下，NLVG-PID控制器在姿態(tài)角和位置控制方面表現(xiàn)出色。與PID控制相比，NLVG-PID控制器能夠更快地收斂到期望軌跡，并且在動(dòng)態(tài)干擾下表現(xiàn)更加穩(wěn)定。通過歐拉角和位置誤差的分析，可以看出NLVG-PID控制器對(duì)于復(fù)雜路徑跟蹤具有良好的性能。

利薩茹曲線跟隨實(shí)驗(yàn)：在3D利薩茹曲線路徑下，NLVG-PID控制器同樣展現(xiàn)出了優(yōu)秀的控制性能。雖然路徑更加復(fù)雜，但NLVG-PID控制器仍然能夠快速且穩(wěn)定地跟蹤期望軌跡，姿態(tài)角誤差和位置誤差得到了有效控制。

綜上所述，NLVG-PID控制器在四軸飛行器的障礙物避讓軌跡控制中具有良好的性能，能夠適應(yīng)復(fù)雜的飛行環(huán)境并實(shí)現(xiàn)精確的軌跡跟蹤。

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7. 總結(jié) & 未來工作

本文研究了四軸飛行器障礙物避讓的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制問題。提出了一種基于低成本動(dòng)態(tài)線性優(yōu)化的自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制器設(shè)計(jì)方案，用于處理不確定條件下的障礙物。首先，提出了一種針對(duì)構(gòu)建的無人機(jī)模型的 NLVG-PID 控制器。此外，采用 ES 方法在離線最大或最小誤差階躍信號(hào)中學(xué)習(xí)最優(yōu) NLVG-PID 參數(shù)?；谶@一設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，所提出的自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制器能夠減少典型 3D 路徑曲線（如風(fēng)暴路徑）中的響應(yīng)超調(diào)和穩(wěn)定時(shí)間。

審核編輯：黃飛