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Trajectory tracking for a quadrotor under wind perturbations: sliding mode control with state-dependent gains

Authors :
Jean-Marc Biannic
Laurent Planckaert
Gabriele Perozzi
Denis Efimov
Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille – Kampé de Fériet - UMR 9014 (LMFL)
Centrale Lille-ONERA-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Arts et Métiers Sciences et Technologies
HESAM Université (HESAM)-HESAM Université (HESAM)
Non-Asymptotic estimation for online systems (NON-A-POST)
Inria Lille - Nord Europe
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
ONERA, Université de Toulouse [Toulouse]
ONERA-PRES Université de Toulouse
ONERA ( ONERA (F- 59014 Lille - France) )
ONERA
Non-Asymptotic estimation for online systems ( NON-A )
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille (CRIStAL) - UMR 9189 ( CRIStAL )
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Ecole Centrale de Lille-Institut Mines-Télécom [Paris]-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Ecole Centrale de Lille-Institut Mines-Télécom [Paris]-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS )
ONERA, Université de Toulouse ( ONERA, Université de Toulouse (F-31055 Toulouse - France) )
HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)-HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)
Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille – Kampé de Fériet (LMFL)
Ecole Centrale de Lille-ONERA-École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM)
Arts et Métiers Sciences et Technologies
HESAM Université (HESAM)-HESAM Université (HESAM)-Arts et Métiers Sciences et Technologies
HESAM Université (HESAM)-HESAM Université (HESAM)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Journal of The Franklin Institute, Journal of The Franklin Institute, Elsevier, In press, ⟨10.1016/j.jfranklin.2018.04.042⟩, Journal of The Franklin Institute, Elsevier, In press, 〈10.1016/j.jfranklin.2018.04.042〉, Journal of The Franklin Institute, inPress, ⟨10.1016/j.jfranklin.2018.04.042⟩, Journal of The Franklin Institute, In press, ⟨10.1016/j.jfranklin.2018.04.042⟩
Publication Year :
2018
Publisher :
Elsevier BV, 2018.

Abstract

International audience; The problem of position tracking of a mini drone subject to wind perturbations is investigated. The solution is based on a detailed unmanned aerial vehicle (UAV) model, with aerodynamic coefficients and external disturbance components, which is introduced in order to better represent the impact of the wind field. Then, upper bounds of wind-induced disturbances are characterized, which allow a sliding mode control (SMC) technique to be applied with guaranteed convergence properties. The peculiarity of the considered case is that the disturbance upper bounds depend on the control amplitude itself (i.e. the system is nonlinear in control), which leads to a new procedure for the control tuning presented in the paper. The last part of the paper is dedicated to the analysis and reduction of chattering effects, as well as investigation of rotor dynamics issues. Conventional SMC with constant gains, proposed first order SMC, and proposed quasi-continuous SMC are compared. Nonlinear UAV simulator, validated through in-door experiments, is used to demonstrate the effectiveness of the proposed controls.

Details

ISSN :
00160032
Volume :
355
Database :
OpenAIRE
Journal :
Journal of the Franklin Institute
Accession number :
edsair.doi.dedup.....7938b9fa92c17578a787cf1fa557e69d
Full Text :
https://doi.org/10.1016/j.jfranklin.2018.04.042