Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) play an important role in various applications, where precise trajectory tracking is crucial. However, conventional control algorithms for trajectory tracking often exhibit limited performance due to the underactuated, nonlinear, and highly coupled dynamics of quadrotor systems. To address these challenges, we propose HBO-PID, a novel control algorithm that integrates the Heteroscedastic Bayesian Optimization (HBO) framework with the classical PID controller to achieve accurate and robust trajectory tracking. By explicitly modeling input-dependent noise variance, the proposed method can better adapt to dynamic and complex environments, and therefore improve the accuracy and robustness of trajectory tracking. To accelerate the convergence of optimization, we adopt a two-stage optimization strategy that allow us to more efficiently find the optimal controller parameters. Through experiments in both simulation and real-world scenarios, we demonstrate that the proposed method significantly outperforms state-of-the-art (SOTA) methods. Compared to SOTA methods, it improves the position accuracy by 24.7% to 42.9%, and the angular accuracy by 40.9% to 78.4%.


翻译:无人机在众多应用领域中扮演着重要角色,其中精确的轨迹跟踪尤为关键。然而,由于四旋翼系统具有欠驱动、非线性及高度耦合的动力学特性,传统的轨迹跟踪控制算法往往性能受限。为应对这些挑战,本文提出HBO-PID——一种将异方差贝叶斯优化框架与经典PID控制器相结合的新型控制算法,以实现精确且鲁棒的轨迹跟踪。该方法通过显式建模输入相关的噪声方差,能更好地适应动态复杂环境,从而提升轨迹跟踪的精度与鲁棒性。为加速优化收敛,我们采用两阶段优化策略,以更高效地寻得最优控制器参数。通过仿真与真实场景的实验验证,本方法在性能上显著优于现有最优方法:与SOTA方法相比,其位置精度提升24.7%至42.9%,角度精度提升40.9%至78.4%。

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