三环控制让吊载无人机消摆更稳，轨迹更准|奖学金论文分享

在无人机空中运输中，绳索吊载因为灵活、适用场景多而被广泛使用，但它也有个bug：载荷一摆，遇到风扰或航点切换时更容易被放大，轻则精度下降，重则影响稳定性。针对这一挑战，西南交通大学郑志远等人在《IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems》中发表论文，从“执行受限”的真实工程问题出发，提出了一套更适用于实飞的控制框架，并在实验中验证了强扰动与轨迹切换场景下的效果。

凭借这一研究郑志远同学获得阿木实验室校园奖学金二等奖:**5000元**。2026年的奖学金活动也在紧锣密鼓筹划中，我们很快会公布细则，想冲奖的同学可以开始准备了。

01 研究背景

消摆控制往往需要较快的机动动作，而在实际工程中，经典四旋翼“双环级联”控制框架（外环位置/消摆+内环姿态）未必能把这些指令有效执行，其关键原因在于内环执行带宽并不理想。为此，论文提出了一种融合不确定性与扰动估计器（UDE）的反步控制分层框架。

该框架由三层回路组成：外环的轨迹跟踪与消摆控制器、内环的姿态控制器仍沿用传统设计；更关键的是在两者之间引入中间控制环，并基于实验验证的执行机构模型设计鲁棒动态补偿器（RDC），用于扩展四旋翼的有效执行带宽，从而在工程上更好地满足外环对带宽的需求。

论文进一步采用 Lyapunov 方法证明闭环系统稳定性，并结合奇异摄动理论对系统性能进行分析，最后通过对比仿真与实飞实验验证了该方法的可行性与有效性。

02 技术亮点

三环控制结构

在经典四旋翼级联控制框架的外环与内环之间引入了一种新的鲁棒动态补偿器（RDC）模块，构建了一种全新的三环控制结构。该结构能够在无需重新设计内环控制器的前提下，系统性地提升内环的执行带宽，从而有效保障外环控制性能。

一阶辨识 + UDE反步

不同于对完整内环控制系统进行建模的方法，该研究通过数据驱动辨识建立了一个简化的一阶内环模型。在此基础上，提出了一种基于不确定性与干扰估计器（UDE）的反步控制方法，以解决多环控制系统中普遍存在的失配扰动问题。

弹性自由度

绳索弹性为系统引入了额外的自由度，使得虚拟消摆加速度指令的设计变得困难。为此，本文利用奇异摄动理论证明：当弹性系数足够大时，在不可伸长绳索假设下设计的控制律对于弹性绳索系统仍然是可行的。

03 实验测试

仿真场景1

带初始摆角的悬停飞行

在此仿真场景中，四旋翼需要在具有初始摆角的情况下执行悬停飞行。实验显示：

位置跟踪误差和货物摆角的衰减性能，该研究所提出的控制器表现最优。特别是在四旋翼进行机动动作以减小货物摆动时，所提出的控制方法能够在初始阶段有效抑制货物摆动，尽管此时位置误差较大。
与其他两种对比控制方法相比，该控制方法在轨迹跟踪和消摆性能上均表现优异。
本控制方法仅在x轴和y轴设计了消摆控制器，确保了高度稳定性。相比之下，有限时间收敛控制方法在所有轴向都引入了消摆控制，这导致四旋翼在衰减摆动时需要调整高度，从而破坏了高度保持性能。