基于固定时间干扰观测器的空中机器人非奇异终端滑模控制

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32278

先进飞行器安全控制技术专刊

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

基于固定时间干扰观测器的空中机器人非奇异终端滑模控制

赵静¹(), 潘龙¹, 陆宁云², 黄海云¹, 马亚杰², 徐丰羽¹

^1.南京邮电大学自动化学院，南京 210023
^2.南京航空航天大学自动化学院，南京 210016

收稿日期:2025-05-22 修回日期:2025-07-29 接受日期:2025-11-03 出版日期:2026-05-15 发布日期:2025-11-10
通讯作者: 赵静 E-mail:zhaojing@njupt.edu.cn
基金资助:
直升机动力学全国重点实验室基金(2024-ZSJ-LB-02-05);航空航天结构力学及控制全国重点实验室基金(MCMS-E-0123G04)

A novel nonsingular terminal sliding mode control for aerial robot based on fixed-time disturbance observer

Jing ZHAO¹(), Long PAN¹, Ningyun LU², Haiyun HUANG¹, Yajie MA², Fengyu XU¹

^1.College of Automation，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China
^2.College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2025-05-22 Revised:2025-07-29 Accepted:2025-11-03 Online:2026-05-15 Published:2025-11-10
Contact: Jing ZHAO E-mail:zhaojing@njupt.edu.cn
Supported by:
Foundation of National Key Laboratory Foundation of Helicopter Aeromechanics(2024-ZSJ-LB-02-05);Foundation of State Key Laboratory of Aerospace Structural Mechanics and Control(MCMS-E-0123G04)

摘要/Abstract

摘要：

针对复合扰动下空中机器人的高精度轨迹跟踪控制问题，提出一种基于固定时间干扰观测器的滑模控制策略。首先，考虑目标抓取后重心偏移与紊流风场耦合因素，采用牛顿-欧拉公式建立六自由度动力学模型，进而设计固定时间收敛的复合干扰观测器进行扰动估计。其次，针对位置控制子系统，设计基于新型趋近律的非奇异快速终端滑模控制器，可以有效避免系统陷入奇异状态，同时提升系统的动态响应性能；针对姿态控制子系统，提出融合积分反步法的混合控制策略，能够增强系统鲁棒性以应对外部干扰。最后，经过仿真对比验证所提方法的有效性。

关键词: 固定时间干扰观测器, 非奇异快速终端滑模控制, 抗扰控制, 重心偏移, 空中机器人

Abstract:

To address the high-precision trajectory tracking control problem for aerial robot under compound disturbances， this paper proposes a sliding mode control strategy based on a fixed-time disturbance observer. First， considering the coupled effects of centroid offset after target grasping and turbulent wind fields， a six-degree-of-freedom dynamic model is established using the Newton-Euler formula and design a fixed-time convergent compound disturbance observer for disturbance estimation. Second， for the position control subsystem， a nonsingular fast terminal sliding mode controller based on a novel reaching law is designed， which can effectively avoid the system falling into a singular state while enhancing the system’s dynamic response performance. For the attitude control subsystem， a hybrid control strategy integrating integral backstepping is proposed to improve the system robustness against external disturbances. Finally， simulation comparisons are conducted to validate the effectiveness of the proposed approach.

Key words: fixed-time disturbance observer, nonsingular fast terminal sliding mode control, anti-disturbance control, centroid offset, aerial robot

中图分类号:

V249

赵静, 潘龙, 陆宁云, 黄海云, 马亚杰, 徐丰羽. 基于固定时间干扰观测器的空中机器人非奇异终端滑模控制[J]. 航空学报, 2026, 47(9): 532278.

Jing ZHAO, Long PAN, Ningyun LU, Haiyun HUANG, Yajie MA, Fengyu XU. A novel nonsingular terminal sliding mode control for aerial robot based on fixed-time disturbance observer[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(9): 532278.

图/表 16

图 1

图 2

表 1

系统参数

参数	数值	参数	数值
$m a$ / $k g$	1.590 1	$k$ /（ $N ⋅ m ⋅ s - 2$ ）	$8.721 × 10 - 7$
$m 0$ / $k g$	1	$l 0$ /m	0.038
$L$ /m	0.31	$l 1$ /m	0.08
$I x, I y$ /（ $N ⋅ s 2 ⋅ r a d - 1$ ）	1.25	$l 2$ /m	0.08
$I z$ /（ $N ⋅ s 2 ⋅ r a d - 1$ ）	2.5	$l 3$ /m	0.034
$b$ /（ $N ⋅ s - 2$ ）	$5.324 × 10 - 5$

表 1

表 2

机械臂的D-H参数

$i$	$a i - 1$	$θ i$
1	$l 1$	0
2	$l 2$	$q 1$
3	$l 3$	$q 2$

表 2

图 3

表 3

观测器参数

参数	$γ 1$	$γ 2$	$γ 3$	$δ$	$α 1$	$α 2$
数值	0.1	0.1	0.1	6	0.2	1.1

表 3

表 4

参数估计器参数设置［2］

参数	$H 1$	$Y 1$
数值	0.1	0.1

表 4

图 4

图 5

图 6

表 5

位置控制器参数

参数	$ξ 1$	$ξ 2$	$ξ 3$	$β 1$	$β 2$	$β 3$	$r 1$
数值	2	2	2	2	2	2	3
参数	$r 2$	$r 3$	$k 1$	$k 2$	$k 3$	$ε 1$	$ε 2$
数值	3	3	0.02	0.02	10	0.7	1.1

表 5

表 6

姿态控制器参数

参数	$k ϕ$	$k θ$	$k ψ$	$K ϕ$	$K θ$	$K ψ$	$ξ 4$	$ξ 5$
数值	5	5	5	5	5	5	0.02	0.02
参数	$ξ 6$	$β 4$	$β 5$	$β 6$	$ε 3$	$r 4$	$κ 1$	$κ 2$
数值	0.02	0.02	0.02	0.02	0.8	3	4	4

表 6

图 7

表 7

控制性能对比

方法	收敛时间/s				稳态误差
方法	$x$	$y$	$z$	$ϕ$	$x$ /mm	$y$ /mm	$z$ /mm	$ϕ$ / （10^-3 rad）
本文	4.03	4.56	4.37	0.73	0.5	0.4	0.015	0.01
文献［23］	6.74	9.56	9.78	2.05	4	3.1	2	0.6
文献［2］	4.51	5.30	5.11	2.18	1.5	1.2	0.5	0.2
文献［27］	5.62	6.23	6.62	1.53	3	2.6	4	0.2
文献［28］	6.43	7.67	5.32	1.05	3.6	1.5	1.4	1.8
无风场模型	3.86	4.16	4.22	2.21	1.5	1.6	0.7	2.6

表 7

图 8

图 9

参考文献 36

[1]	WANG X， GU Y Y， YE C Y. Improvement design of agricultural plant protection UAV［C］∥2020 International Conference on Artificial Intelligence and Electromechanical Automation （AIEA）. Piscataway： IEEE Press， 2020： 479-482.
[2]	陈彦杰，占巍巍，张振国，等. 作业型飞行机器人抓取后重心偏移的轨迹跟踪控制［J］. 控制理论与应用， 2020， 37（10）： 2178-2188.
	CHEN Y J， ZHAN W W， ZHANG Z G， et al. Trajectory tracking control of center of gravity shift for aerial manipulator robot after grasping［J］. Control Theory Applications， 2020， 37（10）： 2178-2188 （in Chinese）.
[3]	POUNDS P E I， DOLLAR A M. UAV rotorcraft in compliant contact： Stability analysis and simulation［C］∥2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Piscataway： IEEE Press， 2011： 2660-2667.
[4]	WANG M， CHEN Z S， GUO K X， et al. Millimeter-level pick and peg-in-hole task achieved by aerial manipulator［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2024， 40： 1242-1260.
[5]	WU H J， JIANG L H， LIU X C， et al. Intelligent explosive ordnance disposal UAV system based on manipulator and real-time object detection［C］∥2021 4th International Conference on Intelligent Robotics and Control Engineering （IRCE）. Piscataway： IEEE Press， 2021： 61-65.
[6]	CAO H Z， SHEN J H， ZHANG Y， et al. Proximal cooperative aerial manipulation with vertically stacked drones［J］. Nature， 2025， 646（8085）： 576-583.
[7]	DING X L， GUO P， XU K， et al. A review of aerial manipulation of small-scale rotorcraft unmanned robotic systems［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2019， 32（1）： 200-214.
[8]	夏鹏程，罗建军，王明明，等. 空间双臂机器人抓捕非合作目标后的协调稳定控制［J］. 航空学报， 2022， 43（2）： 325398.
	XIA P C， LUO J J， WANG M M， et al. Coordinated stabilization control for dual-arm space robot capturing a non-cooperative target［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（2）： 325398 （in Chinese）.
[9]	OLLERO A， TOGNON M， SUAREZ A， et al. Past， present， and future of aerial robotic manipulators［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2022， 38（1）： 626-645.
[10]	LIANG J C， CHEN Y J， WU Y N， et al. Adaptive prescribed performance control of unmanned aerial manipulator with disturbances［J］. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering， 2023， 20（3）： 1804-1814.
[11]	逯明清，廖飞，高福奎，等. 基于扰动观测器增强的同轴HAUV自适应反步跟踪控制［J］. 航空学报， 2024， 45（23）： 330361.
	LU M Q， LIAO F， GAO F K， et al. Nonlinear disturbance observer enhanced adaptive backstepping tracking control for coaxial HAUV［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（23）： 330361 （in Chinese）.
[12]	SU X J， QING F D， CHANG H B， et al. Trajectory tracking control of human support robots via adaptive sliding-mode approach［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2024， 54（3）： 1747-1754.
[13]	XU W H， CAO L J， PENG B Y， et al. Adaptive nonsingular fast terminal sliding mode control of aerial manipulation based on nonlinear disturbance observer［J］. Drones， 2023， 7（2）： 88.
[14]	YANG H， LEE D. Dynamics and control of quadrotor with robotic manipulator［C］∥2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation （ICRA）. Piscataway： IEEE Press， 2014： 5544-5549.
[15]	KIM M J， KONDAK K， OTT C. A stabilizing controller for regulation of UAV with manipulator［J］. IEEE Robotics and Automation Letters， 2018， 3（3）： 1719-1726.
[16]	CHEN Y J， LIANG J C， WU Y N， et al. Adaptive sliding-mode disturbance observer-based finite-time control for unmanned aerial manipulator with prescribed performance［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2023， 53（5）： 3263-3276.
[17]	ZHANG Z G， CHEN Y J， WU Y N， et al. Gliding grasping analysis and hybrid force/position control for unmanned aerial manipulator system［J］. ISA Transactions， 2022， 126： 377-387.
[18]	张广玉，何玉庆，代波，等. 面向抓取作业的飞行机械臂系统及其控制［J］.机器人， 2019， 41（1）： 19-29.
	ZHANG G Y， HE Y Q， DAI B， et al. Towards grasping task： System and control of an aerial manipulator［J］. Robot， 2019， 41（1）： 19-29 （in Chinese）.
[19]	RUGGIERO F， TRUJILLO M A， CANO R， et al. A multilayer control for multirotor UAVs equipped with a servo robot arm［C］∥2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation （ICRA）. Piscataway： IEEE Press， 2015： 4014-4020.
[20]	FRESK E， WUTHIER D， NIKOLAKOPOULOS G. Generalized center of gravity compensation for multirotors with application to aerial manipulation［C］∥2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems （IROS）. Piscataway： IEEE Press， 2017： 4424-4429.
[21]	ZHANG Y J， WEN L Y， JIANG B. Analysis of dynamic mutation of a quadrotor system under wind disturbance［C］∥2023 6th International Symposium on Autonomous Systems （ISAS）. Piscataway： IEEE Press， 2023： 1-6.
[22]	FAZELI ASL S B， MOOSAPOUR S S. Adaptive backstepping fast terminal sliding mode controller design for ducted fan engine of thrust-vectored aircraft［J］. Aerospace Science and Technology， 2017， 71： 521-529.
[23]	CHEN M， SHAO S Y， JIANG B. Adaptive neural control of uncertain nonlinear systems using disturbance observer［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2017， 47（10）： 3110-3123.
[24]	ZHAO J， DING X Q， JIANG B， et al. A novel sliding mode fault-tolerant control strategy for variable-mass quadrotor［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2023， 33（17）： 10199-10226.
[25]	TANG P， LIN D F， ZHENG D， et al. Observer based finite-time fault tolerant quadrotor attitude control with actuator faults［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 104： 105968.
[26]	YANG X B， WANG Y J， YANG J E， et al. Fault-tolerant control based on fixed-time observer for a 3-DOF helicopter system［J］. International Journal of Control， Automation and Systems， 2020， 18（12）： 2993-3000.
[27]	CLOSE J， VAN M， MCILVANNA S. PID-fixed time sliding mode control for trajectory tracking of AUVs under disturbance［J］. IFAC-PapersOnLine， 2024， 58（20）： 281-286.
[28]	WANG M， LYU S K， LIU Q Y， et al. Precise end-effector control for an aerial manipulator under composite disturbances： Theory and experiments［J］. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering， 2025， 22： 4006-4021.
[29]	杨永刚，宋炜. 风场干扰下四旋翼无人机的飞行控制与仿真［J］. 中国民航大学学报， 2021， 39（3）： 16-21.
	YANG Y G， SONG W. Flight control and simulation of quad-rotor UAV under wind field disturbance［J］. Journal of Civil Aviation University of China， 2021， 39（3）： 16-21 （in Chinese）.
[30]	NING B D， HAN Q L， ZUO Z Y， et al. Fixed-time and prescribed-time consensus control of multiagent systems and its applications： A survey of recent trends and methodologies［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2023， 19（2）： 1121-1135.
[31]	CHEN C Y， HAN Y Y， ZHU S， et al. Neural network-based fixed-time tracking and containment control of second-order heterogeneous nonlinear multiagent systems［J］. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems， 2024， 35（8）： 11565-11579.
[32]	LIU K， WANG R J， ZHENG S J， et al. Fixed-time disturbance observer-based robust fault-tolerant tracking control for uncertain quadrotor UAV subject to input delay［J］. Nonlinear Dynamics， 2022， 107（3）： 2363-2390.
[33]	XIE J B， WANG S C， DAI H， et al. Adaptive neural control with fast approximation for uncertain nonlinear systems： A novel composite learning approach［J］. Asian Journal of Control， 2023， 25（6）： 4481-4498.
[34]	KEMPER M， FATIKOW S. Impact of center of gravity in quadrotor helicopter controller design［J］. IFAC Proceedings Volumes， 2006， 39（16）： 157-162.
[35]	钟杭，王耀南，李玲，等. 旋翼飞行机械臂建模及动态重心补偿控制［J］. 控制理论与应用， 2016， 33（3）： 311-320.
	ZHONG H， WANG Y N， LI L， et al. Rotor-flying manipulator modeling and control with dynamic compensation for gravity offset［J］. Control Theory Applications， 2016， 33（3）： 311-320 （in Chinese）.
[36]	LIANG J C， CHEN Y J， LAI N B， et al. Robust observer-based trajectory tracking control for unmanned aerial manipulator［J］. International Journal of Control， Automation and Systems， 2023， 21（2）： 616-629.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

基于固定时间干扰观测器的空中机器人非奇异终端滑模控制

A novel nonsingular terminal sliding mode control for aerial robot based on fixed-time disturbance observer

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 16

参考文献 36

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	闫明, 王家兴, 李贺琦, 刘凯. 基于离线网络/在线辨识的舰载机自抗扰控制[J]. 航空学报, 2025, 46(13): 531317-531317.
[2]	刘子博, 张冉, 薛文超, 李惠峰. 考虑弹性影响的运载火箭自抗扰减载控制方法[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 330319-330319.
[3]	赵旭, 齐国元, 蔚昕晨, 胡建兵, 李霞. 补偿函数观测器及其在飞行器姿态控制中的应用[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 327224-327224.
[4]	陈佳杰, 王继强, 张海波, 胡忠志, 陈新民. 基于几何设计法的航空发动机有限频域稳态抗扰控制器设计[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 327434-327434.
[5]	王忠森, 廖宇新, 魏才盛, 戴婷. 高超声速飞行器快速终端滑模保性能容错控制[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 328476-328476.
[6]	付一方, 胡欣悦, 黄与陆, 王斑, 黄江涛. 基于双目视觉的无人机自主空中对接系统设计[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 628884-628884.
[7]	邵嘉琪, 张晓辉, 席涵宇, 刘子荣. 太阳能无人机线性自抗扰多环路能源控制[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 327812-327812.
[8]	李霞, 齐国元, 郭曦彤, 赵旭. 高阶微分反馈控制及在四旋翼飞行器中的应用[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 326047-326047.
[9]	吴正平, 邓聪, 文海. 模糊线性/非线性自抗扰切换控制及其应用[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 324710-324710.
[10]	朴敏楠, 陈志刚, 孙明玮, 陈增强. 高超声速飞行器气动伺服弹性的自适应抑制[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 623698-623698.
[11]	李亚苹, 王芳, 周超. 全状态受限的高超声速飞行器的预定性能滤波反步控制[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 623857-623857.
[12]	费伦, 段海滨, 徐小斌, 鲍瑞, 孙永斌. 基于变权重变异鸽群优化的无人机空中加油自抗扰控制器设计[J]. 航空学报, 2020, 41(1): 323490-323490.
[13]	韦常柱, 琚啸哲, 徐大富, 吴荣, 崔乃刚. 垂直起降重复使用运载器返回制导与控制[J]. 航空学报, 2019, 40(7): 322782-322782.
[14]	吴文海, 高阳, 王子健, 周思羽. 基于LADRC的舰载V/STOL飞机短距起飞性能优化[J]. 航空学报, 2019, 40(6): 122772-122772.
[15]	刘为杰, 何帆, 凌忠伟. 2.4 m跨声速风洞流场预测自抗扰控制[J]. 航空学报, 2019, 40(11): 123154-123154.