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Finite-time Control for Image-Based Visual Servoing of a Quadrotor Using Nonsingular Fast Terminal Sliding Mode
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1320k
资源说明：### 有限时间控制在四旋翼机图像伺服中的应用及非奇异快速终端滑模方法
#### 概述
本文探讨了一种针对四旋翼无人机（quadrotor）图像基础视觉伺服(Image-Based Visual Servoing, IBVS)系统的有限时间控制策略。通过利用非奇异快速终端滑模控制(Nonsingular Fast Terminal Sliding Mode, NFTSM)，该方法能够有效地应对图像动态不确定性以及外部扰动。研究中首先建立了四旋翼机模型，并基于单目相机和惯性测量单元(IMU)设计了视觉模型。在此基础上，文章提出了一种新型有限时间控制器，通过理论分析验证了其收敛性和抗扰性能，并通过仿真结果展示了所提方法的有效性。
#### 四旋翼机模型与视觉伺服系统
四旋翼机作为一种垂直起降(VTOL)的无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)，因其独特优势而在多个领域得到广泛应用。为了提高四旋翼机的性能，研究人员不断探索新的控制方法和技术。特别是近年来，视觉传感器因其轻便、低功耗等特性，在四旋翼机的应用中越来越受到重视。
- **四旋翼机模型**：文章首先构建了一个四旋翼机模型，用于后续控制器的设计。该模型考虑了飞行器的动力学特性及其与外界环境的相互作用。
- **视觉模型构建**：研究中仅使用单目相机和惯性测量单元进行感知。通过定义虚拟图像平面上的适当图像特征并结合透视投影原理，开发出了图像动态模型。该模型包含了12个状态变量，可以进一步分解为6个子系统，以便于控制器的设计。
- **图像基础视觉伺服(IBVS)**：IBVS是一种基于视觉反馈的控制技术，通过调整飞行器的姿态和位置来使摄像头捕获到的目标图像符合期望的状态。这种技术对于实现四旋翼机的自主导航至关重要。
#### 非奇异快速终端滑模控制(NFTSM)
- **NFTSM原理**：NFTSM是一种先进的滑模控制方法，它能够在有限时间内实现系统的稳定，并且具有较强的鲁棒性。相较于传统的滑模控制，NFTSM避免了在滑模面上的奇异点问题，从而提高了控制精度和稳定性。
- **控制器设计**：基于四旋翼机的模型和视觉伺服系统，设计了NFTSM有限时间控制器。该控制器能够确保系统在有限时间内达到稳定状态，并有效抑制外部扰动的影响。
- **理论分析**：通过Lyapunov函数的方法证明了所设计的控制器具备有限时间收敛性和扰动抑制能力。
#### 仿真验证
为了验证所提方法的有效性，进行了仿真测试。实验结果显示，采用NFTSM控制方法的四旋翼机在面对图像动态不确定性及外部扰动时，能够快速准确地调整姿态和位置，使摄像头捕获到的图像达到期望状态。这些结果证明了所提出的有限时间控制策略在提高四旋翼机视觉伺服性能方面的有效性。
#### 结论
本文提出了一种应用于四旋翼机图像基础视觉伺服的有限时间控制方法，并利用非奇异快速终端滑模控制技术实现了对图像动态不确定性和外部扰动的有效处理。通过理论分析和仿真验证，表明了该方法不仅能够在有限时间内实现系统的稳定，还具有良好的抗扰性能。这项研究为四旋翼机的自主导航和控制提供了有力的技术支持，特别是在GPS信号不可靠或无法使用的环境中展现出显著的优势。
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