Quaternion-based Adaptive Backstepping Fast Terminal Sliding Mode Control for Quadrotor UAVs with Finite Time Convergence

本文提出了一种新颖的基于四元数的方法，用于跟踪欠驱动无人机（UAV）的平移（位置和线速度）和旋转（姿态和角速度）轨迹。四旋翼无人机在精度、奇异性和不确定性问题方面具有挑战性。基于单位四元数设计的控制器相对于其他方法（例如欧拉角）具有无奇异性的姿态表示，后者无法表示车辆在多个方向上的姿态。提出了基于四元数的自适应反步控制（ABC）和自适应快速终端滑模控制（AFTSMC）来解决一系列具有挑战性的问题。首先，提出了一种基于四元数的ABC，这是一种优越的递归方法，用于生成必要的推力，处理未知的不确定性和UAV平移轨迹跟踪。接下来，开发了一种基于四元数的AFTSMC，以克服参数不确定性，避免奇异性，并确保在有限时间内快速收敛。此外，所提出的AFTSMC能够显著减少控制信号抖动，这是执行机构故障的主要原因，并提供平滑和准确的旋转控制输入。为确保所提出的方法的鲁棒性，考虑了未知的时变参数不确定性和显著的初始化误差，验证了所设计的控制算法。将所提出的技术与最先进的控制技术进行了比较。关键词：自适应反步控制（ABC），自适应快速终端滑模控制（AFTSMC），单位四元数，无人机，无奇异性，姿态控制。

本文旨在提出一种新的四元数方法，用于跟踪欠驱动无人机的平移和旋转轨迹，解决了四元数控制器在精度、奇异性和不确定性问题方面的挑战。

本文提出了基于四元数的自适应反步控制和自适应快速终端滑模控制方法，以应对一系列挑战性问题。相比于其他方法（如欧拉角），基于四元数的控制器在姿态表示方面是无奇异性的。

本文提出的控制算法经过验证，能够在考虑未知时间变化参数不确定性和重要的初始化误差的情况下确保鲁棒性。同时，本文还解决了控制信号抖动问题，提供了平稳准确的旋转控制输入。

近期的相关研究包括：《Robust Adaptive Backstepping Control of a Quadrotor UAV Using Quaternion Feedback》、《A Quaternion-based Adaptive Sliding Mode Control for a Quadrotor UAV》等。