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无人机吊挂重物如何稳如老狗？T-ASE成果分享:综合空气阻力建模与鲁棒控制

在无人机空中运输领域，吊挂重物因能保持机动性而被广泛应用，但其在飞行中易受到摆动与风扰影响，控制难度极大。

针对这一挑战，西南交通大学郑志远等人在论文 “Modeling, Robust Control Design, and Experimental Verification for Quadrotor Carrying Cable-Suspended Payload” 中提出了综合空气阻力建模与改进型 UDE+TD鲁棒控制方法，有效提升了四旋翼在风扰和轨迹切换下的稳定性与精度。

该研究发表于国际顶级期刊 IEEE Transactions on Automation Science and Engineering (2025, Vol.22)。

凭借这一成果，郑志远同学获得了阿木实验室校园奖学金活动二等奖5000元。

研究背景

无人机运输重物主要有两种方式：

  • 夹持式：刚性固定重物，增加系统惯性，降低机动性。

  • 吊挂式：用绳索悬挂，保持机动性，但容易产生摆动和受风干扰。

问题在于

  • 传统空气阻力模型（线性/二次形式）在小摆角、低速时难以准确描述重物晃动；

  • 控制器在航点切换或遇到风扰时，容易因输入饱和导致失稳。

  • 如何在多源干扰下保证无人机的稳定性与轨迹精度，是一大难题。

技术亮点

更精准的重物建模

论文提出了一种综合空气阻力模型，在经典模型中加入了 SPAD项（空速依赖零阶阻尼），用来反映绳索摩擦、弹性等非空气阻力因素。在小摆角实验中：加入SPAD后的模型误差仅0.5%

改进的UDE鲁棒控制器

在不确定性与干扰估计器(UDE)基础上，研究者引入跟踪微分器(TD)：

  • 平滑航点切换时的阶跃信号，避免控制输入饱和；

  • 在轨迹平滑场景中，可将TD参数调大，保持原参考信号不变。

参数整定方法

  • 基于奇异摄动理论，揭示了 UDE参数T与轨迹跟踪精度/鲁棒性之间的明确关系；

  • 提出了一套简洁高效的调参指南，让控制器更易于工程应用。

实验测试

仿真实验

圆轨迹跟踪

在水平面上，UDE控制器能够紧跟参考轨迹；在高度控制上，由于挂载重物导致初始下沉，UDE控制器能快速补偿重力干扰，使轨迹迅速收敛。

航点飞行

  • 航点切换对应阶跃信号，PID 控制信号易饱和，导致性能下降。

  • UDE+TD 控制器通过平滑参考信号，显著减小了超调，能在风扰存在下保持较高精度。

真机飞行

实验平台：

阿木实验室**P230四旋翼+Prometheus开源框架，搭载吊挂负载，在无风、横风、强风**等场景下飞行。

1.重物建模辨识

实验比较了线性、二次、线性+SPAD、二次+SPAD、综合阻力模型。

在小摆角情况下：

  • 线性模型误差 21.8%

  • 二次模型误差 51%

  • 线性+SPAD模型误差仅 0.5%，与综合模型接近，验证了SPAD项的重要性。

2.控制器性能对比

圆轨迹飞行

  • UDE控制器在水平和垂直方向均保持最高跟踪精度；

  • PID存在相位滞后，NADRC出现明显超调；

  • UDE在高度控制上比 NADRC更快补偿掉高现象。

航点飞行（单向风扰）

  • PID响应快但稳态精度不足；

  • NADRC收敛慢；

  • UDE控制器在横风干扰下依旧能保持约0.1m的跟踪精度。

航点飞行（强风干扰）

  • PID高度跟踪严重偏差，NADRC出现震荡；

  • UDE控制器表现接近无风场景，抗干扰优势明显。

不同UDE参数T的影响

  • 当T从5降至0.35，轨迹误差逐步减小，与理论分析一致；

  • 相比调整反馈增益 (kp, kd)，调节 T 对性能提升更显著，且调参过程更直观。

综合对比

  • 误差指标：UDE 控制器在四种场景下的均方误差显著小于 PID和NADRC。

  • 调参难度：UDE控制器仅需调整4个参数，且T可独立调节，调参简单高效；PID与NADRC参数间耦合度高，多依赖反复试错。

实验总结

  • UDE+TD 控制器不仅在无风环境下优于其他方法，在强风与重物摆动叠加干扰下仍保持 最高精度与最快收敛。

  • 其核心优势在于：

更**精准的建模**（SPAD项提升小摆角场景下的阻尼刻画能力）；

更强的鲁棒性（有效抵抗风扰与输入饱和）；

更易调参（参数独立、可量化设计）。

应用场景

这项研究不仅适用于无人机吊运，还可推广到其他存在扰动抑制需求的系统：

  • 应急物资空投

  • 军事运输与投送

  • 农业喷洒与物资挂载

  • 水域采样与测绘

  • 列车/无人艇控制

资源速递

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10632105

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  • 文章需提及Prometheus项目，且在参考文献中引用GitHub主页

  • 需使用官方的引文

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