Robust Optimal Agile Flight of Quadrotors: An Internal Model-Based Nonlinear Model Predictive Optimization Approach

计算机科学 控制理论(社会学) 非线性系统 控制工程 敏捷软件开发 稳健性(进化) 非线性模型 模型预测控制 内部模型 非线性规划 工作(物理) 工程类 稳健优化 鲁棒控制 自动化 数学优化 弹道 最优化问题 机器人 数学模型
作者
Qiang Wang,Martin Guay,Fang DENG,Jie Chen,Maobin Lu
出处
期刊:IEEE Transactions on Robotics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:42: 3324-3344 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tro.2026.3721737
摘要

Achieving robust agile quadrotor flight under unknown external disturbances and parametric uncertainty remains a significant challenge. Inspired by robust output regulation theory, this article proposes an${\mathcal {I}}$nternal${\mathcal {M}}$odel-based nonlinear model predictive optimization framework for robust optimal planning and control during agile flight. The core insight is the systematic decoupling of uncertain dynamics from the optimization loop via the internal model principle, enabling real-time disturbance learning and rejection while reducing reliance on high-fidelity physical models. This allows both time-optimal planning and nonlinear model predictive control (NMPC) to operate on the same disturbance-decoupled nominal dynamics. The proposed framework comprises three main components: translational and rotational nonlinear internal model compensators for real-time disturbance rejection, an NMPC optimization stabilizer for constrained agile trajectory tracking, and a receding-horizon polynomial waypoint allocation module for efficient online time-optimal reference generation. Robust constraint satisfaction, recursive feasibility and asymptotic stability are guaranteed through rigorous theoretical analysis. The effectiveness and generalizability are validated through extensive flight experiments under various disturbances, including unknown payloads, persistent fan-induced winds, and time-varying gusts, across quadrotors with different wheelbases. The framework was successfully deployed in the 2024 DJI RoboMaster Intelligent micro aerial vehicle Championship for Planning and Control of Quadrotors, where it completed challenging racing courses at speeds up to 23.3 m/s, ranking first and finishing in less than one-third of the time taken by the second-place.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
ttchen的应助被xigualu采纳,获得10
1秒前
6666发布了新的文献求助10
1秒前
1秒前
2秒前
所所的应助被林橙采纳,获得10
3秒前
Mr_Cavan完成签到,获得积分10
3秒前
Lune7发布了新的文献求助10
3秒前
livesey完成签到 ,获得积分10
3秒前
小蘑菇的应助被keyandalao采纳,获得10
4秒前
Hello的应助被RUINNNO采纳,获得10
4秒前
Rain完成签到,获得积分10
4秒前
丰富青文完成签到 ,获得积分10
5秒前
chenwang发布了新的文献求助10
5秒前
思源的应助被wy采纳,获得10
6秒前
白羊完成签到,获得积分10
6秒前
6秒前
Yes完成签到,获得积分10
7秒前
小蘑菇的应助被汪博士采纳,获得30
7秒前
RADSUN完成签到 ,获得积分10
7秒前
张含静发布了新的文献求助20
7秒前
8秒前
8秒前
Eurus发布了新的文献求助10
8秒前
2992i发布了新的文献求助10
9秒前
10秒前
zzzssshhh完成签到,获得积分10
11秒前
香蕉觅云的应助被科研通管家采纳,获得10
11秒前
11秒前
orixero的应助被科研通管家采纳,获得20
11秒前
bkagyin的应助被科研通管家采纳,获得10
11秒前
风0405的应助被科研通管家采纳,获得10
11秒前
研友_VZG7GZ的应助被科研通管家采纳,获得10
12秒前
JamesPei的应助被科研通管家采纳,获得10
12秒前
方源的应助被科研通管家采纳,获得30
12秒前
赘婿的应助被科研通管家采纳,获得10
12秒前
浩宁发布了新的文献求助10
12秒前
秋风的应助被科研通管家采纳,获得20
12秒前
12秒前
pink的应助被科研通管家采纳,获得10
12秒前
Lucas的应助被科研通管家采纳,获得10
12秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
拉伸高分子熔体中缠结行为的模拟和小角中子散射研究 1080
Encyclopedia of Modern Artificial Intelligence 1000
Особенности технологий и методов информационно-психологических войн СССР с Великобританией и США в период 1939-1953 гг 1000
Analyses de reconnaissances de dettes passées devant les échevins d'Ypres (1249-1291) 600
Cellulose and Cellulose Derivatives: Synthesis, Modification and Applications 600
Experimentelle und numerische Modellierung des dynamischen Trag- und Verformungsverhaltens von hochflexiblen Schutzsystemen gegen Steinschlag 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 计算机科学 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 物理 复合材料 内科学 催化作用 光电子学 人工智能 细胞生物学 无机化学 物理化学 数学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 8150430
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9547421
关于积分的说明 21681059
捐赠科研通 7737790
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3424358
关于科研通互助平台的介绍 2549312
邀请新用户注册赠送积分活动 2467682