<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.1 20151215//EN" "http://jats.nlm.nih.gov/publishing/1.1/JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.1">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="pmc">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">CMES</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1526-1506</issn>
<issn pub-type="ppub">1526-1492</issn>
<publisher>
<publisher-name>Tech Science Press</publisher-name>
<publisher-loc>USA</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">22642</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2022.022642</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Optimal Joint Space Control of a Cable-Driven Aerial Manipulator</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Optimal Joint Space Control of a Cable-Driven Aerial Manipulator</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Optimal Joint Space Control of a Cable-Driven Aerial Manipulator</alt-title>
</title-group>
<contrib-group content-type="authors">
<contrib id="author-1" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Ding</surname><given-names>Li</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref><email>nuaadli@163.com</email></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Ma</surname><given-names>Rui</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Wu</surname><given-names>Zhengtian</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<contrib id="author-4" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Qi</surname><given-names>Rongzhi</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-5" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Ruan</surname><given-names>Wenrui</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>College of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Technology</institution>, <addr-line>Changzhou, 213000</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>School of Electronic and Information Engineering, Suzhou University of Science and Technology</institution>, <addr-line>Suzhou, 215123</addr-line>, <country>China</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: Li Ding. Email: <email>nuaadli@163.com</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub" date-type="pub" iso-8601-date="2022-09-27">
<day>27</day>
<month>09</month>
<year>2022</year></pub-date>
<volume>135</volume>
<issue>1</issue>
<fpage>441</fpage>
<lpage>464</lpage>
<history>
<date date-type="received"><day>18</day><month>3</month><year>2022</year></date>
<date date-type="accepted"><day>24</day><month>5</month><year>2022</year></date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2023 Ding et al.</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Ding et al.</copyright-holder>
<license xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>This work is licensed under a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:type="simple" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</ext-link>, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.</license-p>
</license>
</permissions>
<self-uri content-type="pdf" xlink:href="TSP_CMES_22642.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>This article proposes a novel method for maintaining the trajectory of an aerial manipulator by utilizing a fast nonsingular terminal sliding mode (FNTSM) manifold and a linear extended state observer (LESO). The developed control method applies an FNTSM to ensure the tracking performance&#x2019;s control accuracy, and an LESO to estimate the system&#x2019;s unmodeled dynamics and external disturbances. Additionally, an improved salp swarm algorithm (ISSA) is employed to parameter tune the suggested controller by integrating the salp swarm technique with a cloud model. This approach also uses a model-free scheme to reduce the complexity of controller design without relying on complex and precise dynamics models. The simulation results show that the proposed controller outperforms linear active rejection disturbance control and PID controllers in terms of transient performance and resilience against lumped disturbances, and the ISSA can help the proposed controller find optimal control parameters.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Aerial manipulator</kwd>
<kwd>cable-driven</kwd>
<kwd>robust control</kwd>
<kwd>linear extend state observer</kwd>
<kwd>salp swarm algorithm</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1"><label>1</label><title>Introduction</title>
<p>As special robot systems, unmanned aerial vehicles (UAVs) have the characteristics of simple structure, convenient operation and flexible manoeuvring, and are widely used in aerial work tasks, such as aerial photography mapping, power inspection, and battlefield reconnaissance [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>]. Most existing UAVs can only perform passive monitoring tasks and cannot actively interact with their environment. To this end, the researchers added a multi-degree-of-freedom (multi-DOF) manipulator or gripper to the UAV to form a novel aerial robot system, which is the so-called aerial manipulator. Aerial manipulators obviously broaden mobile manipulations into three dimensions, allowing for novel applications, such as remote sampling [<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>], aerial grasp [<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>], bridge inspection [<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>], and cooperative aerial manipulation [<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>]. At present, most aerial manipulators currently use rigid manipulators, whose large moment of inertia will exacerbate the coupling effect between the manipulator and the UAV, making it difficult to maintain the pose of the system. To solve the above issues, cable-driven technique is implemented in the manipulator&#x2019;s physical structure, which rearranges the drive modules and utilizes cables to transmit torques and forces remotely. Due to their lower inertia, greater flexibility, and lighter mass, cable-driven mechanisms can enhance operational capabilities and increase flight time [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>]. Aerial manipulator motion control is a well-studied but challenging topic. Robotic manipulators are closely coupled to UAVs, so controller design should take these into account. It is essential that the controller also be capable of handling the forces that result from interactions with the external environment. Furthermore, the flexible driving cable will also reduce the overall stiffness of the aerial manipulator, making it highly susceptible to external disturbances and its own internal vibrations. Therefore it is critical to develop a high-performance controller capable of controlling the cable-driven aerial manipulator&#x2019;s high-precision aerial operations.</p>
<p>At present, many approaches for motion control of aerial manipulators have been presented in the literatures, such as adaptive control strategy [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>], backstepping control method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>], active disturbance rejection control [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>], and proportion integration differentiation (PID) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>]. Kim&#x00A0;et&#x00A0;al.&#x00A0;[<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>] proposed a robust control approach termed sliding mode control (SMC) for tracking the aerial manipulator&#x2019;s trajectories in joint space while taking uncertainties and disturbances into account. SMC is widely used in nonlinear systems due to its various advantages, including little sensitivity to changes in system parameters and no requirement for accurate modelling. The design of the sliding mode (SM) surface is critical in SMC since it affects the controller&#x2019;s convergence speed and tracking precision. Then, terminal SMC (TSMC) and fast terminal SMC (FTSMC) approaches have been presented to assure the asymptotic convergence rate of SMC in a finite period [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>]. However, FTSMC suffers from a singularity problem which may generate terms with a negative power index. In order to eliminate the singularity, a fast nonsingular terminal SMC (FNTSMC) has been developed [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>]. Thanks to its superior properties, FNTSMC is becoming increasingly popular in engineering applications, such as industrial manipulator [<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>], permanent magnet synchronous motor servo system [<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>], and flexible spacecraft [<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>]. Unfortunately, the FNTSMC is not robust to parametric uncertainties as well as external disturbances, resulting in relatively poor dynamic features and lower control precision. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>], a disturbance observer (DOB) technique has been combined with SMC, which achieves a good performance in quadrotor motion control. Chen&#x00A0;et&#x00A0;al.&#x00A0;[<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>] designed a nonlinear DOB for unknown information based on Lyapunov theory and adopted it to a 2-DOF manipulator. DOB is characterized by the estimation of unknown disturbances at the system input. Therefore, it needs detailed information of the plant and cannot estimate the uncertainty within the system. Unlike DOB, ESO estimates the external disturbances and internal uncertainties of the system as an extended state and requires little model information. The ESO is available in two configurations, nonlinear ESO (NESO) and linear ESO (LESO). Chang&#x00A0;et&#x00A0;al.&#x00A0;integrate a fuzzy sliding mode technique with NESO to develop a controller for an aerial manipulator subjected to lumped disturbances, which can hold the pose of system well [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>]. However, NDOB has a lot of parameters to be determined, which will increase the difficulty of controller design. Compared to NESO, the performance of LESO is governed by only two parameters, observer bandwidth and controller bandwidth. LESO is often combined into existing control methods which can be found in previous works [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>]. Inspired by these works, this article will combine FNTSMC with LESO (FNTSMC-LESO) to realize the trajectory tracking control in joint space for a cable-driven aerial manipulator.</p>
<p>As is widely known, controller parameters tuning is a challenging task [<xref ref-type="bibr" rid="ref-24">24</xref>], especially since the FNTSMC-LESO has four parameters to be tuned. This means that the suggested controller&#x2019;s parameters are regarded to be an optimized mathematical entity since the index is set to a minimum value. High-quality control effects are defined as minimizing the controller index. Our objective is to build a performance evaluation metric that accurately reflects the controller&#x2019;s performance. In general, the controller parameters are tuned in time domain by metaheuristic algorithms, such as particle swarm optimization (PSO) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-25">25</xref>], artificial bee colony algorithm (ABC) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>], genetic algorithm (GA) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>], firefly algorithm (FA) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>], salp swarm algorithm (SSA) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>]. We focus exclusively on SSA in this paper due to its great robustness, simple parameters, and ease of implementation. SSA is an effective optimization algorithm developed in 2017 [<xref ref-type="bibr" rid="ref-30">30</xref>], which is fit for parameter tuning of the FNTSMC-LESO method. Unfortunately, standard SSA tends to fall into local optima, as well as most swarm intelligence algorithms, resulting in slower convergence in the later stages of the algorithm. Therefore, cloud model has been adopted in this article, which helps SSA achieve better performance. Furthermore, the improved SSA (ISSA) will be used to find appropriate control parameters for the proposed controller FNTSMC-LESO. The following summarizes the major contributions and aspects of this work:
<list list-type="simple">
<list-item><label>1)</label><p>A novel cable-driven aerial manipulator mounted on a quadrotor has been designed. Compared with existing works [<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-34">34</xref>], the aerial manipulator system uses the cable-driven technique for transmitting forces and torques by rearrangement of drive modules. Due to lower inertia, greater flexibility, and lighter mass, cable-driven mechanisms can improve operational capabilities and increase flight time.</p></list-item>
<list-item><label>2)</label><p>To achieve trajectory tracking accuracy in joint space, a fast nonsingular terminal sliding mode control is used to assure tracking accuracy and convergence speed. Additionally, the lumped disturbances are estimated utilizing linear extended state observer. To our knowledge, there are no published reports on the FNFTSMC-LESO approach for cable-driven aerial manipulator.</p></list-item>
<list-item><label>3)</label><p>A novel combination of SSA with cloud model, namely ISSA has been proposed for parameter tuning of the FNFTSMC-LESO. The performance of the optimized algorithm is compared with two other algorithms in terms of transient response analysis in time domain adopting the objective function of integral of time multiplied by absolute error (ITAE) performance index.</p></list-item>
</list></p>
<p>This article&#x2019;s outline is as follows. <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> discusses the system modeling of aerial robots, including quadrotor dynamics and cable-driven manipulator dynamics. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> discusses the design process of the FNTSMC-LESO method. Meanwhile, the suggested robust controller&#x2019;s stability study has been presented. Additionally, <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> illustrates how to tune the proposed controller&#x2019;s settings using the enhance salp swarm method. <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> contains the suggested controller&#x2019;s simulation findings and compares the alternative alternatives. Finally, <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref> summarizes some conclusions.</p>
</sec>
<sec id="s2"><label>2</label><title>Mathematical Model</title>
<p>Consider the schematic view of a cable-driven aerial manipulator in <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>, where <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents an inertial coordinate frame, <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> denotes a body coordinate frame which is attached to the center of mass of the quadrotor, <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> are the frame attached to the joints of the manipulator, and <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> denotes the end-effector&#x2019;s coordinate frame. The use of cable-driven technology, in particular, enables the drive unit to be located at the base of the manipulator, significantly simplifying the construction and lowering the quality of the robot arm&#x2019;s moving components.</p>
<fig id="fig-1"><label>Figure 1</label><caption><title>Schematic view of our prototype</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-1.png"/></fig>
<p><bold>Remark 1.</bold> In our work, the quadrotor and its manipulator are treated as two separate systems since the CAM works in hover [<xref ref-type="bibr" rid="ref-35">35</xref>]. In that case, the coupling effects between these two systems are considered as unmodeled features. As a result, the dynamics models for the quadrotor and the manipulator are independent, respectively.</p>
<sec id="s2_1"><label>2.1</label><title>Dynamics Model of a Quadrotor</title>
<p>The quadrotor model is constructed by describing the aircraft as a rigid body developing in three dimensions and subject to the main thrust and three torques. Its dynamics model can be deduced through Lagrangian approach [<xref ref-type="bibr" rid="ref-36">36</xref>]. Consider the generalized coordinates of the quadrotor stated by:
<disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the position vector of the quadrotor relative to the frame <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the vector of Euler angles relative to the frame <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>. <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are yaw angle of rotation about the axis <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, pitch angle of rotation about the axis <inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and roll angle of rotation about the axis <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively.</p>
<p>Let the Lagrangian formula [<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>] be expressed by:
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the translational energy and rotational kinetic energy, respectively. <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the potential energy. <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the quadrotor&#x2019;s mass, <inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the vector of angular velocity, <inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the rotational inertia, <italic>g</italic> is the gravitational acceleration.</p>
<p>The relation between the angular speed <inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the angular speed relative to the frame <inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> is expressed by a typical kinematic formula [<xref ref-type="bibr" rid="ref-38">38</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>]:
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The rotational kinetic energy <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is expressed by:
<disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>r&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the inertia matrix for the quadrotor&#x2019;s full rotational kinetic energy described in generalized coordinates <inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the vector of the angular velocity of Euler angles.</p>
<p>Recalling <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2">Eq. (2)</xref>, the quadrotor dynamics can be derived from Euler&#x2013;Lagrange method with generalized forces, which is expressed as:
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the generalized forces and torques. It can be expressed as:
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula>) denote the force and moment generated by a propeller&#x2019;s motor, <italic>l</italic> represents the distance between the center of gravity of the quadrotor and the propeller&#x2019;s center, <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is generalized torques, <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> denotes the control commands. <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the main thrust relative to the frame <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> and described as:
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:mstyle displaystyle="false" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the quadrotor&#x2019;s orientation relative to the frame <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The control commands are relative to the rotational velocity of the propeller by means of the standard relationship [<xref ref-type="bibr" rid="ref-40">40</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-42">42</xref>]:
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is thrust coefficient, <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is torque coefficient, <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the propeller&#x2019;s rotational speed.</p>
<p>Integrating <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eqs. (5)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-7">(7)</xref>, the full quadrotor dynamics model is described as:
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the quadrotor&#x2019;s Coriolis and centrifugal term.</p>
<p>Considering the lumped disturbances, the system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">(9)</xref> is rearranged as:
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Remark 2.</bold> An aerial manipulator&#x2019;s trajectory tracking control in joint space is the purpose of this study. The quadrotor just acts as an aerial platform, which can be controlled using the traditional PID method. Hence, the design process of the quadrotor controller is no longer discussed.</p>
</sec>
<sec id="s2_2"><label>2.2</label><title>Dynamics Model of a Manipulator</title>
<p><bold>Remark 3.</bold> Cable flexibility can be concentrated at the joints when ignoring the mass and rotational inertia of the cable. In that case, the force and moment of the joint are linearly related to the joint flexibility. The flexible joint is considered as a linear spring [<xref ref-type="bibr" rid="ref-43">43</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-44">44</xref>].</p>
<p>The rigid-flexible coupling dynamics model of the cable-driven manipulator is obtained by Lagrange-Euler formula [<xref ref-type="bibr" rid="ref-45">45</xref>]:
<disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold">&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold">&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes joint position, <inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold">&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes joint speed, <inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold">&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes joint acceleration. Similarly, <inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represent the position, speed and acceleration of the two motors, respectively. The inertia matrix, centrifugal and Coriolis forces terms, gravitational term, and disturbance torque term of links are denoted by the symbols <inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. <inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:math></inline-formula> are inertial matrix, damping matrix, and output torque of motors, respectively. <inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote joint&#x2019;s damping matrix and stiffness matrix, respectively.</p>
<p>Associating <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-11">Eqs. (11)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-12">(12)</xref>, the dynamical model of the cable-driven aerial manipulator driven by motors is obtained by:
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>In practice, accurate model information for the aerial manipulator is generally poorly available. Hence, a diagonal gain matrix <inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is introduced to estimate the unknown nonlinear behavior [<xref ref-type="bibr" rid="ref-46">46</xref>], and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-13">Eq. (13)</xref> is rewritten as:
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold">&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold">&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the lumped disturbances consisting of unmodeled features and external disturbances.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3"><label>3</label><title>Controller Design</title>
<p>Since the lumped disturbances in system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">(14)</xref> is strongly couplings and highly nonlinear, traditional techniques may be difficult for obtaining it. For solving this problem, a LESO technique is applied in the scheme of our proposed controller.</p>
<p><bold>Remark 4.</bold> Despite the fact that the proposed controller requires little information of the dynamics model, the controller design process still needs to be described with the model.</p>
<p>The controller design is the same for each loop in that it needs no precise details of the numerical model and instead depends on the loop&#x2019;s input and output data. We use joint 1 <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as an example to determine the suggested controller&#x2019;s design procedure.</p>
<sec id="s3_1"><label>3.1</label><title>LESO Design</title>
<p>Recalling system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">(14)</xref>, the dynamical model of joint 1 can be rewritten as:
<disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the output.</p>
<p>The state-space form of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-15">Eq. (15)</xref> can be described as:
<disp-formula id="eqn-16"><label>(16)</label><mml:math id="mml-eqn-16" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold">&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-90"><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-91"><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-92"><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p><bold>Remark 5.</bold> In practice, the lumped disturbances <inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is differentiable and derivable. That means <inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:math></inline-formula> with the bounds that <inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:munder><mml:mrow><mml:mo form="prefix">sup</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:munder><mml:mrow><mml:mo form="prefix">sup</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>With Remark 5, We use an extra extended state to express it. Furthermore, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16">Eq. (16)</xref> is rewritten as:
<disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold">&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold">&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The LESO of system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-17">(17)</xref> is as follows:
<disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold">&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the estimation of <inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are state variables, <inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the output, <inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>]</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the observer gain vector. <inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> denotes the observer bandwidth, <inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is selected such that <inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is Hurwitz. The coefficient <inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies:
<disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s3_2"><label>3.2</label><title>NTSM Design</title>
<p>Taking <inline-formula id="ieqn-114"><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as an example to illustrate the design process of the NTSM. The tracking errors of the joint position, joint velocity and joint acceleration are defined as <inline-formula id="ieqn-115"><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-116"><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-117"><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-118"><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-119"><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-120"><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the referenced joint and its first-order derivative, second-order derivative. For <inline-formula id="ieqn-121"><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the following is the form of a NTSM surface [<xref ref-type="bibr" rid="ref-47">47</xref>]:
<disp-formula id="eqn-20"><label>(20)</label><mml:math id="mml-eqn-20" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>tanh</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-122"><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-123"><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> are constants. The symbol <inline-formula id="ieqn-124"><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:mrow><mml:mtext>tanh</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the hyperbolic tangent function that effectively reduces chattering.</p>
<p>The first-order derivative of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-20">Eq. (20)</xref> can be calculated as:
<disp-formula id="eqn-21"><label>(21)</label><mml:math id="mml-eqn-21" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-21">Eq. (21)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eq. (14)</xref> yields:
<disp-formula id="eqn-22"><label>(22)</label><mml:math id="mml-eqn-22" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-125"><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the equivalent input.</p>
<p>Furthermore, a fast terminal sliding mode type is brought as the reaching law in order to decrease chattering and fulfill the need for rapid finite-time convergence.
<disp-formula id="eqn-23"><label>(23)</label><mml:math id="mml-eqn-23" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-126"><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-127"><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-128"><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are control parameters to be tuned.</p>
<p>With <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-23">Eq. (23)</xref>, the reaching control law can be designed as:
<disp-formula id="eqn-24"><label>(24)</label><mml:math id="mml-eqn-24" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Combing the equivalent input <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-22">(22)</xref> and reaching control law <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-24">(24)</xref>, one gets the integrated control law FNTSMC-LESO of <inline-formula id="ieqn-129"><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as:
<disp-formula id="eqn-25"><label>(25)</label><mml:math id="mml-eqn-25" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Similarly, the NFTSMC-LESO of <inline-formula id="ieqn-130"><mml:math id="mml-ieqn-130"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as:
<disp-formula id="eqn-26"><label>(26)</label><mml:math id="mml-eqn-26" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi></mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-131"><mml:math id="mml-ieqn-131"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-132"><mml:math id="mml-ieqn-132"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-133"><mml:math id="mml-ieqn-133"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-134"><mml:math id="mml-ieqn-134"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the second derivative of the referenced joint, <inline-formula id="ieqn-135"><mml:math id="mml-ieqn-135"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-136"><mml:math id="mml-ieqn-136"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are control parameters to be tuned, <inline-formula id="ieqn-137"><mml:math id="mml-ieqn-137"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the estimation of <inline-formula id="ieqn-138"><mml:math id="mml-ieqn-138"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s3_3"><label>3.3</label><title>Stability Analysis</title>
<p>The proposed FNTSMC-LESO controller&#x2019;s stability analysis is illustrated by using <inline-formula id="ieqn-139"><mml:math id="mml-ieqn-139"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as an example.</p>
<p>Taking <inline-formula id="ieqn-140"><mml:math id="mml-ieqn-140"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as an example to demonstrate the stability analysis of the proposed controller. The stability of the closed-loop system will be analyzed in three steps.</p>
<p>Step 1: Prove the convergence of LESO.</p>
<p>Recalling <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-18">Eq. (18)</xref>, the estimation error of the LESO is defined as:
<disp-formula id="eqn-27"><label>(27)</label><mml:math id="mml-eqn-27" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold">=</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold" stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Subtracting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-18">Eq. (18)</xref> from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-17">Eq. (17)</xref> yields:
<disp-formula id="eqn-28"><label>(28)</label><mml:math id="mml-eqn-28" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-141"><mml:math id="mml-ieqn-141"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p><inline-formula id="ieqn-142"><mml:math id="mml-ieqn-142"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains three distinct eigenvalues. As a result, the following principles apply to an invertible real matrix <inline-formula id="ieqn-143"><mml:math id="mml-ieqn-143"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
<disp-formula id="eqn-29"><label>(29)</label><mml:math id="mml-eqn-29" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-29">Eq. (29)</xref> can be rewritten as an exponential form:
<disp-formula id="eqn-30"><label>(30)</label><mml:math id="mml-eqn-30" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi></mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula>with it follows that:
<disp-formula id="eqn-31"><label>(31)</label><mml:math id="mml-eqn-31" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi></mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03D6;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-144"><mml:math id="mml-ieqn-144"><mml:mi>&#x03D6;</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes a weight function. Notice that the <inline-formula id="ieqn-145"><mml:math id="mml-ieqn-145"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> norm of a square matrix equals the product of the order value and the biggest element.</p>
<p>The solution to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-28">Eq. (28)</xref> is as follows:
<disp-formula id="eqn-32"><label>(32)</label><mml:math id="mml-eqn-32" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Under Remark 5, the estimation error <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-32">(32)</xref> is convergent. Additionally, the compatibility of <inline-formula id="ieqn-146"><mml:math id="mml-ieqn-146"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> norm and vector norm of a complex field yields:
<disp-formula id="eqn-33"><label>(33)</label><mml:math id="mml-eqn-33" display="block"><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi></mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi></mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03D6;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03D6;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-147"><mml:math id="mml-ieqn-147"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> denotes the initial value. Since <inline-formula id="ieqn-148"><mml:math id="mml-ieqn-148"><mml:munder><mml:mrow><mml:mo form="prefix">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the LESO asymptotically converges:
<disp-formula id="eqn-34"><label>(34)</label><mml:math id="mml-eqn-34" display="block"><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03D6;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Remark 6.</bold> Assume that the lumped disturbance&#x2019;s first-order derivative meets <inline-formula id="ieqn-149"><mml:math id="mml-ieqn-149"><mml:munder><mml:mrow><mml:mo form="prefix">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo form="prefix">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the estimation error approaches zero asymptotically, i.e., <inline-formula id="ieqn-150"><mml:math id="mml-ieqn-150"><mml:munder><mml:mrow><mml:mo form="prefix">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Step 2: Prove the convergence of the NTSM variable <inline-formula id="ieqn-151"><mml:math id="mml-ieqn-151"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Considering a normal Lyapunov function:
<disp-formula id="eqn-35"><label>(35)</label><mml:math id="mml-eqn-35" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The Lyapunov function&#x2019;s first-order derivative is given as follows:
<disp-formula id="eqn-36"><label>(36)</label><mml:math id="mml-eqn-36" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eqs. (14)</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-25">(25)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-36">(36)</xref> yields:
<disp-formula id="eqn-37"><label>(37)</label><mml:math id="mml-eqn-37" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>With <inline-formula id="ieqn-152"><mml:math id="mml-ieqn-152"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> follows that:
<disp-formula id="eqn-38"><label>(38)</label><mml:math id="mml-eqn-38" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Furthermore, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-37">Eq. (37)</xref> can be divided into two forms:
<disp-formula id="eqn-39"><label>(39)</label><mml:math id="mml-eqn-39" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>]</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-40"><label>(40)</label><mml:math id="mml-eqn-40" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since <inline-formula id="ieqn-153"><mml:math id="mml-ieqn-153"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is positive definite, the SM surface will approach a certain area in finite time:
<disp-formula id="eqn-41"><label>(41)</label><mml:math id="mml-eqn-41" display="block"><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Similarly, since <inline-formula id="ieqn-154"><mml:math id="mml-ieqn-154"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is positive definite, the SM surface will approach another certain area in finite time:
<disp-formula id="eqn-42"><label>(42)</label><mml:math id="mml-eqn-42" display="block"><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-41">Eqs. (41)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-42">(42)</xref>, the SM surface will converge into the following region in finite time:
<disp-formula id="eqn-43"><label>(43)</label><mml:math id="mml-eqn-43" display="block"><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Step 3: Prove the convergence of the tracking error <inline-formula id="ieqn-155"><mml:math id="mml-ieqn-155"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Recalling <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-43">Eq. (43)</xref>, the FNTSM surface <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-20">(20)</xref> can be rewritten as following:
<disp-formula id="eqn-44"><label>(44)</label><mml:math id="mml-eqn-44" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since <inline-formula id="ieqn-156"><mml:math id="mml-ieqn-156"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>sig</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> is positive, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-44">Eq. (44)</xref> holds the form of NFTSM. The tracking error&#x2019;s first-order derivative will approach the following area:
<disp-formula id="eqn-45"><label>(45)</label><mml:math id="mml-eqn-45" display="block"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-44">Eqs. (44)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-45">(45)</xref> yields:
<disp-formula id="eqn-46"><label>(46)</label><mml:math id="mml-eqn-46" display="block"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>It indicates that the tracking error of joint 1 will asymptotically converge into a region under the proposed control law. Meanwhile, the same results hold true for the channel of joint 2.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4"><label>4</label><title>Parameters Tuning</title>
<sec id="s4_1"><label>4.1</label><title>Algorithm Principles</title>
<p>In our proposed control structure, the parameters that have less influence on the control performance are treated as a priori and need no adjustment. As a result, <inline-formula id="ieqn-157"><mml:math id="mml-ieqn-157"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-158"><mml:math id="mml-ieqn-158"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In addition, each joint controller has four parameters to be tuned. There are a total of eight parameters that need to be tuned in the controller for the cable-driven aerial manipulator, i.e., <inline-formula id="ieqn-159"><mml:math id="mml-ieqn-159"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-160"><mml:math id="mml-ieqn-160"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-161"><mml:math id="mml-ieqn-161"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-162"><mml:math id="mml-ieqn-162"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>(<inline-formula id="ieqn-163"><mml:math id="mml-ieqn-163"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>). These unknown control parameters will be determined by ISSA method.</p>
<p>According to previous work [<xref ref-type="bibr" rid="ref-48">48</xref>], SSA algorithm is one of metaheuristic algorithms, which is inspired by the navigating and foraging behaviors found in salps in deep oceans. The salps have a body structure that is very similar to that of jellyfish, which follows the same pattern of movement by pumping water through the body as they move forward. The swarming behavior of salps serves as an inspiration for the SSA algorithms, in which the chain of salps is created by a swarm. An individual at the front of each salp chain is referred to as a leader, while others who follow it are known as followers. The followers follow the leaders swarm into the foods. The basic principle of the SSA is described as follows.</p>
<p>The initial position of different salps are defined as <inline-formula id="ieqn-164"><mml:math id="mml-ieqn-164"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where <italic>i</italic> lies in the range <inline-formula id="ieqn-165"><mml:math id="mml-ieqn-165"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <italic>N</italic> is the population size, <italic>D</italic> is the number of the unknown control parameters.</p>
<p>Here the position of food source <inline-formula id="ieqn-166"><mml:math id="mml-ieqn-166"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the <inline-formula id="ieqn-167"><mml:math id="mml-ieqn-167"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>th</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> dimension (<inline-formula id="ieqn-168"><mml:math id="mml-ieqn-168"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>) is considered as the objective function. The objective function established using ITAE performance index, which is governed by:
<disp-formula id="eqn-47"><label>(47)</label><mml:math id="mml-eqn-47" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-169"><mml:math id="mml-ieqn-169"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the controller&#x2019;s tracking error, <italic>T</italic> and <inline-formula id="ieqn-170"><mml:math id="mml-ieqn-170"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the current iteration and maximum number of iterations, respectively.</p>
<p>The chain of salps is on the prowl for the finest food source in SSA. Thus, the leader&#x2019;s position is updated by:
<disp-formula id="eqn-48"><label>(48)</label><mml:math id="mml-eqn-48" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-171"><mml:math id="mml-ieqn-171"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> denotes the leader&#x2019;s position, <inline-formula id="ieqn-172"><mml:math id="mml-ieqn-172"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-173"><mml:math id="mml-ieqn-173"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the upper limit and lower limit of the leader&#x2019;s position in the <inline-formula id="ieqn-174"><mml:math id="mml-ieqn-174"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>th</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> dimension respectively, <inline-formula id="ieqn-175"><mml:math id="mml-ieqn-175"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-176"><mml:math id="mml-ieqn-176"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the random vectors in the range [0,1], <inline-formula id="ieqn-177"><mml:math id="mml-ieqn-177"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the weight factor that can balance the exploration and exploitation tendencies:
<disp-formula id="eqn-49"><label>(49)</label><mml:math id="mml-eqn-49" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The position of follower is updated by the Newton equation:
<disp-formula id="eqn-50"><label>(50)</label><mml:math id="mml-eqn-50" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-178"><mml:math id="mml-ieqn-178"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is step size, <inline-formula id="ieqn-179"><mml:math id="mml-ieqn-179"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the initial velocity, <inline-formula id="ieqn-180"><mml:math id="mml-ieqn-180"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the acceleration, <inline-formula id="ieqn-181"><mml:math id="mml-ieqn-181"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the terminal velocity.</p>
<p>Since <inline-formula id="ieqn-182"><mml:math id="mml-ieqn-182"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the above <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-51">Eq. (51)</xref> becomes:
<disp-formula id="eqn-51"><label>(51)</label><mml:math id="mml-eqn-51" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-183"><mml:math id="mml-ieqn-183"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-184"><mml:math id="mml-ieqn-184"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> denotes the <inline-formula id="ieqn-185"><mml:math id="mml-ieqn-185"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>th</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> follower&#x2019;s position in the <inline-formula id="ieqn-186"><mml:math id="mml-ieqn-186"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>th</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> dimension search space.</p>
<p>The leader changes its position according to food source, and followers keep track over iterations. The optimal control parameters can be found with the mechanism of the SSA. However, the classical SSA has some drawbacks as well as other intelligent algorithms. The drawbacks are concluded as: 1) SSA requires the determination of three basic parameters <inline-formula id="ieqn-187"><mml:math id="mml-ieqn-187"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-188"><mml:math id="mml-ieqn-188"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-189"><mml:math id="mml-ieqn-189"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be determined, which makes the algorithm computationally complex. 2) SSA struggles with local optima stagnation and poor convergence. 3) Though the weight factor <inline-formula id="ieqn-190"><mml:math id="mml-ieqn-190"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has a good balance between the exploitation and exploration, the performance of the algorithm needs to be improved.</p>
</sec>
<sec id="s4_2"><label>4.2</label><title>Improved Operators</title>
<p>One-dimensional normal cloud model has been introduced in the update process of leader&#x2019;s position to avoid the SSA fall into the local optima stagnation. The cloud model is capable of an uncertain transition between qualitative and quantitative, which has three elements of expectation (<inline-formula id="ieqn-191"><mml:math id="mml-ieqn-191"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>), entropy (<inline-formula id="ieqn-192"><mml:math id="mml-ieqn-192"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and hyper entropy (<inline-formula id="ieqn-193"><mml:math id="mml-ieqn-193"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></inline-formula>) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-49">49</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-51">51</xref>]. A new objective function value <inline-formula id="ieqn-194"><mml:math id="mml-ieqn-194"><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in the neighborhood of <inline-formula id="ieqn-195"><mml:math id="mml-ieqn-195"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-48">Eq. (48)</xref> can be generated by one-dimensional normal cloud model <inline-formula id="ieqn-196"><mml:math id="mml-ieqn-196"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> with the mathematical formula given by:
<disp-formula id="eqn-52"><label>(52)</label><mml:math id="mml-eqn-52" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>otherwise</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <italic>d</italic> is a random integer in the range <inline-formula id="ieqn-197"><mml:math id="mml-ieqn-197"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>One-dimensional normal cloud model <inline-formula id="ieqn-198"><mml:math id="mml-ieqn-198"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be generated by the following steps: 1) Generate a normal random number <inline-formula id="ieqn-199"><mml:math id="mml-ieqn-199"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> whose expectancy value is <inline-formula id="ieqn-200"><mml:math id="mml-ieqn-200"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> and hyper entropy is <inline-formula id="ieqn-201"><mml:math id="mml-ieqn-201"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></inline-formula>. 2) Calculate the membership degree through the formula below:
<disp-formula id="eqn-53"><label>(53)</label><mml:math id="mml-eqn-53" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>3) Repeat (1)&#x223C;(2) until <italic>N</italic> cloud droplets fully produced.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref> illustrates clouds made by one-dimensional normal cloud generator with various parameters. Fox example, take <inline-formula id="ieqn-202"><mml:math id="mml-ieqn-202"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> as 0.5, <inline-formula id="ieqn-203"><mml:math id="mml-ieqn-203"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> as 0.1 and 0.3, <inline-formula id="ieqn-204"><mml:math id="mml-ieqn-204"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></inline-formula> as 0.03 and 0.1, respectively. As can be observed, the figures display the cloud model with 500 cloud drops. Each cloud droplet in the figure can be understood as a new food source obtained with 0.5 (expectation) as the initial food source with different entropy and super entropy. It can be seen the obvious differences in coverage and dispersion of the four cloud models, i.e., the higher the entropy, the larger the range of new food source search, and the higher the super entropy, the more discrete the new food source within the search range. The Ex denotes a prospective food location, the <inline-formula id="ieqn-205"><mml:math id="mml-ieqn-205"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the search range, and the <inline-formula id="ieqn-206"><mml:math id="mml-ieqn-206"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the search&#x2019;s stability.</p>
<fig id="fig-2"><label>Figure 2</label><caption><title>Clouds generated by one-dimensional normal cloud model</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-2.png"/></fig>
<p>When the number of iterations reaches a certain value, the searched fitness value will be closer to the optimal value. To increase solution accuracy and manage the search range, the value of <inline-formula id="ieqn-207"><mml:math id="mml-ieqn-207"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is adjusted using a nonlinear decreasing control technique.
<disp-formula id="eqn-54"><label>(54)</label><mml:math id="mml-eqn-54" display="block"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>In the follower position update process, the adaptive operator is used to help the SSA algorithm to escape the constraints of local optimality, so that the individual salp has a strong global convergence ability in the early stage, and relatively accurate results can be obtained in the later stage. The specific form of the adaptive operator is:
<disp-formula id="eqn-55"><label>(55)</label><mml:math id="mml-eqn-55" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-56"><label>(56)</label><mml:math id="mml-eqn-56" display="block"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>rand</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-208"><mml:math id="mml-ieqn-208"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-209"><mml:math id="mml-ieqn-209"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the lower and upper limits of the weight factor <italic>w</italic>, <inline-formula id="ieqn-210"><mml:math id="mml-ieqn-210"><mml:mrow><mml:mtext>rand</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes a random number between 0 and 1.</p>
<p><bold>Remark 7.</bold> If <italic>w</italic> is too large, the search efficiency of the algorithm is low, the local mining ability is insufficient, and it is difficult to obtain the optimal solution. On the contrary, if <italic>w</italic> is too small, the convergence accuracy of the algorithm is high, but the global search ability is weak, and the algorithm is easy to fall into local optimum. <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-55">Eq. (55)</xref> can effectively solve the above problems.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5"><label>5</label><title>Simulation Results</title>
<p>This article imports a 3D model of the aerial robot into the Maltab/Simscape platform for simulation. <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref> depicts the control structure of the whole system, which uses the PID controller of the quadrotor aircraft and two FNSTSMC-LESO controllers for the rope-driven manipulator.</p>
<fig id="fig-3"><label>Figure 3</label><caption><title>Control structure of the aerial robot</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-3.png"/></fig>
<p>Case A. A step signal is designed to test the parameter tuning ability of the ISSA algorithm for the FNTSMC-LESO controller. The step values of the aerial manipulator are set as <inline-formula id="ieqn-211"><mml:math id="mml-ieqn-211"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>60</mml:mn><mml:mo>&#x00b0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>60</mml:mn><mml:mo>&#x00b0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and the other conditions all set as zeros. Moreover, a lumped disturbance <inline-formula id="ieqn-212"><mml:math id="mml-ieqn-212"><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t)\,N</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has been added to the two joint channels. Meanwhile, ABC and SSA are introduced as comparison to illustrate the performance of the ISSA. The three algorithms&#x2019; parameters are shown in <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>. Each algorithm is simulated 10 times, and the best result is selected. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref>, it is obvious that the convergence rate of ISSA is the fastest in comparison with the other two algorithms. The objective function value obtained by ISSA is 0.013, which is 48&#x0025; and 95.41&#x0025; lower than that of SSA and ABC, respectively. The final controller parameters of FNTSMC-LESO tuned by ISSA are listed in <xref ref-type="table" rid="table-2">Table 2</xref>. Furthermore, the corresponding results are depicted in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Figs. 5</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-6">6</xref>, where both figures show the trajectory tracking performance of the joints optimized by three different algorithms. As observed from the results, the tracking performance obtained by ISSA is better than the other two swarm intelligent algorithms. In addition, Case A provides a set of expected control parameters for the next two cases.</p>
<table-wrap id="table-1"><label>Table 1</label><caption><title>Parameters of the three algorithms</title></caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th align="left">Algorithm</th>
<th align="left">Parameters</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left">IABC</td>
<td align="left"><italic>SN&#x2009;</italic>&#x003D;&#x2009;20, <italic>Limit&#x2009;</italic>&#x003D;&#x2009;5, <inline-formula id="ieqn-216"><mml:math id="mml-ieqn-216"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>50</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left">SSA</td>
<td align="left"><italic>N&#x2009;</italic>&#x003D;&#x2009;20, <inline-formula id="ieqn-217"><mml:math id="mml-ieqn-217"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>50</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left">ISSA</td>
<td align="left"><italic>N&#x2009;</italic>&#x003D;&#x2009;20, <inline-formula id="ieqn-218"><mml:math id="mml-ieqn-218"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>50</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><fig id="fig-4"><label>Figure 4</label><caption><title>Iteration curves of the three algorithms</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-4.png"/></fig><table-wrap id="table-2"><label>Table 2</label><caption><title>Control parameters tuned by ISSA</title></caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th align="left">Parameter</th>
<th align="left">Value</th>
<th align="left">Parameters</th>
<th align="left">Value</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-219"><mml:math id="mml-ieqn-219"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">500.25</td>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-220"><mml:math id="mml-ieqn-220"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">142.14</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-221"><mml:math id="mml-ieqn-221"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">0.045</td>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-222"><mml:math id="mml-ieqn-222"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">0.038</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-223"><mml:math id="mml-ieqn-223"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">9.55</td>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-224"><mml:math id="mml-ieqn-224"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">39.99</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-225"><mml:math id="mml-ieqn-225"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">394.70</td>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-226"><mml:math id="mml-ieqn-226"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">386.46</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><fig id="fig-5"><label>Figure 5</label><caption><title>Response of joint 1 in Case A</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-5.png"/></fig><fig id="fig-6"><label>Figure 6</label><caption><title>Response of joint 2 in Case A</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-6.png"/></fig>
<p>Case B. To assess the suggested FNTSMC-LESO method&#x2019;s performance, it is compared to LADRC and PID controllers. The other step values of the aerial manipulator are set as <inline-formula id="ieqn-213"><mml:math id="mml-ieqn-213"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>45</mml:mn><mml:mo>&#x00b0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>45</mml:mn><mml:mo>&#x00b0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and the other conditions all set as zeros. For the time between 0 to 5&#x2005;s, the tracking responses of the proposed method and other control methods are similar, as observed in <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Figs. 7</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-8">8</xref>. Nonetheless, the FNTSMC-LESO controller has desirable control performance, such as smaller overshoot, shorter setting time, and higher tracking accuracy. From the error response shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Figs. 9</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-10">10</xref>, we can see that the proposed controller provides the highest tracking precision in comparison with LADRC and PID. To accurately evaluate the control performance of the three controllers in the steady phase, the functions of the root-mean-squared error (RMSE) and maximum absolute error (MAE) are calculated using data from 1 to 5&#x2005;s. As observed from the results, the FNTSMC-LESO method has an RMSE of 0.492 for joint 1 and 0.161 for joint 2, which are 74.66&#x0025; and 68.27&#x0025; of LADRC and 51.03&#x0025; and 45.39&#x0025; of PID, respectively. It is proved that the proposed controller is more effective than the others with lower chattering, higher accuracy, and faster convergence. The same calculated results can be obtained for MAE. The response of control torques are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-12">12</xref>, where the torques produced by PID cause undesirable performance, but FNTSMC-LESO and LADRC can output smooth control signals with the help of LESO. Hence, our provided controller offers optimal control performance over the other two controllers.</p>
<fig id="fig-7"><label>Figure 7</label><caption><title>Response of joint 1 in Case A</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-7.png"/></fig><fig id="fig-8"><label>Figure 8</label><caption><title>Response of joint 2 in Case B</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-8.png"/></fig><fig id="fig-9"><label>Figure 9</label><caption><title>Tracking errors of joint 1 in Case B</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-9.png"/></fig><fig id="fig-10"><label>Figure 10</label><caption><title>Tracking errors of joint 2 in Case B</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-10.png"/></fig><fig id="fig-11"><label>Figure 11</label><caption><title>Comparison of torque 1 in Case B</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-11.png"/></fig><fig id="fig-12"><label>Figure 12</label><caption><title>Comparison of torque 2 in Case B</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-12.png"/></fig>
<p>Case C. In this simulation, the motion of the quadrotor and aerial manipulator are simulated. A special reference trajectory is set for the quadrotor which describes the phase from take-off to hover, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref>. The controller parameters of PID are listed in <xref ref-type="table" rid="table-3">Table 3</xref>. It can be observed that the quadrotor can track the reference trajectory well with the PID controller. Furthermore, the responses of the attitude and position are given in <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Figs. 14</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-15">15</xref>. When the quadrotor is in the hovering state, the reference trajectory of the manipulator is designed through the Cycloidal curve [<xref ref-type="bibr" rid="ref-52">52</xref>], and the initial angle of the two joints is set to 0. Considering that the manipulator will face the influence of disturbances, such as gust of wind, flexible deformation of the rope and mechanical vibration during actual work, a Gaussian noise with an amplitude of 1&#x2005;N is added as the disturbance torque. The entire simulation time is set to 35&#x2005;s. Similarly, LADRC and PID are used to control the cable-driven aerial manipulator respectively in the same environment, so as to compare the practicability of the three controllers. <xref ref-type="fig" rid="fig-16">Figs. 16</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-17">17</xref> show the output responses of the two joint angles under the three controllers. It can be seen that the three controllers can make the joint angles better track the reference trajectory. Furthermore, <xref ref-type="fig" rid="fig-18">Figs. 18</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-19">19</xref> show the tracking errors based on different controllers, and it can be seen that the trajectory tracking error obtained by the controller in this paper is the smallest. The root mean square error RMSE is used to evaluate the tracking accuracy. For <inline-formula id="ieqn-214"><mml:math id="mml-ieqn-214"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the RMSE of the controller in this paper is 0.638 which is 0.341 and 0.452 lower than that of LADRC and PID, respectively. For <inline-formula id="ieqn-215"><mml:math id="mml-ieqn-215"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the RMSE of the controller in this paper is 0.832, which is 0.299 and 0.557 lower than the RMSE of the latter two, respectively. This shows that the controller in this paper has high tracking accuracy and can effectively suppress the aggregate disturbance of the system. Finally, <xref ref-type="fig" rid="fig-20">Figs. 20</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-21">21</xref> show the comparison of the control torque of the three controllers. It can be observed from the figures that the proposed controller is the smoothest with almost no chattering phenomenon, which causes no harm to the actuator.</p>
<fig id="fig-13"><label>Figure 13</label><caption><title>3D flight trajectory of the quadrotor</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-13.png"/></fig><table-wrap id="table-3"><label>Table 3</label><caption><title>PID parameters of the quadrotor</title></caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th align="left">Channel</th>
<th align="left">Controller parameter</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-227"><mml:math id="mml-ieqn-227"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-228"><mml:math id="mml-ieqn-228"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>120</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-229"><mml:math id="mml-ieqn-229"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-230"><mml:math id="mml-ieqn-230"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-231"><mml:math id="mml-ieqn-231"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-232"><mml:math id="mml-ieqn-232"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>320</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-233"><mml:math id="mml-ieqn-233"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-234"><mml:math id="mml-ieqn-234"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-235"><mml:math id="mml-ieqn-235"><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-236"><mml:math id="mml-ieqn-236"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-237"><mml:math id="mml-ieqn-237"><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-238"><mml:math id="mml-ieqn-238"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>60</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><fig id="fig-14"><label>Figure 14</label><caption><title>Attitude response of the quadrotor</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-14.png"/></fig><fig id="fig-15"><label>Figure 15</label><caption><title>Position response of the quadrotor</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-15.png"/></fig><fig id="fig-16"><label>Figure 16</label><caption><title>Response of joint 1 in Case C</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-16.png"/></fig><fig id="fig-17"><label>Figure 17</label><caption><title>Response of joint 2 in Case C</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-17.png"/></fig><fig id="fig-18"><label>Figure 18</label><caption><title>Tracking errors of joint 1 in Case C</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-18.png"/></fig><fig id="fig-19"><label>Figure 19</label><caption><title>Tracking errors of joint 2 in Case C</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-19.png"/></fig><fig id="fig-20"><label>Figure 20</label><caption><title>Comparison of torque 1 in Case C</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-20.png"/></fig><fig id="fig-21"><label>Figure 21</label><caption><title>Comparison of torque 2 in Case C</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_22642-fig-21.png"/></fig>
</sec>
<sec id="s6"><label>6</label><title>Conclusions</title>
<p>In this paper, we have designed a novel cable-driven aerial manipulator applied for aerial tasks. Due to the use of cable-driven technology, the drive unit of the manipulator can be mounted at the base of the arm, simplifying the structure of the arm and reducing its quality. Meanwhile, a FNTSMC-LESO controller was proposed by combing the FNTMSC method with LESO technique. By using a nonlinear sliding mode surface, the FNTSMC-LESO control is capable of generating high precision and fast convergence. The nonlinear sliding mode surface, FNTSMC, can accelerate convergence in the region of the equilibrium point, which is of benefit to comprehensive performance. Furthermore, the parameter tuning of the proposed controller is conducted by ISSA. The simulation cases indicate that the proposed controller achieves a better control effect compared to LADRC and PID controllers.</p>
<p>In the future research, we will explore the other control strategy of the aerial manipulator and test the effectiveness of the proposed controller designed in this paper in the outdoor real flight test. In addition, we will further study the dynamic coupling law between the quadrotor and the cable-driven manipulator.</p>
</sec>
</body>
<back>
<glossary content-type="abbreviations" id="glossary-1">
<title>Nomenclature</title>
<def-list>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Generalized coordinates</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Position vector</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Euler angles</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Quadrotor&#x2019;s mass</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Rotational inertia</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Generalized forces and torques</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Moment produced by a propeller</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Torque coefficient</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:math></inline-formula></term><def><p>Vector of the joint position</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Inertia matrix of links</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi></mml:math></inline-formula></term><def><p>Gravitational term of links</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:math></inline-formula></term><def><p>Inertial matrix of motors</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:math></inline-formula></term><def><p>Output torques of motors</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Joint stiffness matrix</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi></mml:math></inline-formula></term><def><p>Lumped disturbances</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Translational energy</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Rotational kinetic energy</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Potential energy</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Angular velocity</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula></term><def><p>Gravitational acceleration</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Force produced by a propeller</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Thrust coefficient</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x0398;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></term><def><p>Coriolis term of the quadrotor</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Vector of the motor position</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Centrifugal and Coriolis forces term of links</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Disturbance torque term of links</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi></mml:math></inline-formula></term><def><p>Damping matrix of motors</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Joint damping matrix</p></def></def-item>
<def-item><term><inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term><def><p>Diagonal gain matrix</p></def></def-item>
</def-list>
</glossary>
<ack>
<p>We would like to express our gratitude to the anonymous reviewers for their informative and constructive comments.</p>
</ack>
<fn-group>
<fn fn-type="other"><p><bold>Funding Statement:</bold> This work was partially supported by the National Natural Science Foundation of China (52005231), Social Development Science and Technology Support Project of Changzhou (CE20215050), Jiangsu Province Graduate Student Practice Innovation Plan (SJCX21_1313, SJCX21_1314).</p></fn>
<fn fn-type="conflict"><p><bold>Conflicts of Interest:</bold> The authors declare that they have no conflicts of interest to report regarding the present study.</p></fn>
</fn-group>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>1.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Guo</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Deng</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ding</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Modeling and control of a hexacopter with a passive manipulator for aerial manipulation</article-title>. <source>Complex &#x0026; Intelligent Systems</source><italic>,</italic> <volume>7</volume><issue>(6)</issue><italic>,</italic> <fpage>3051</fpage>&#x2013;<lpage>3065</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s40747-021-00488-6</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>2.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ding</surname>, <given-names>X. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guo</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yu</surname>, <given-names>Y. S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>A review of aerial manipulation of small-scale rotorcraft unmanned robotic systems</article-title>. <source>Chinese Journal of Aeronautics</source><italic>,</italic> <volume>32</volume><issue>(1)</issue><italic>,</italic> <fpage>200</fpage>&#x2013;<lpage>214</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cja.2018.05.012</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>3.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Baizid</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Giglio</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pierri</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Trujillo</surname>, <given-names>M. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Antonelli</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Behavioral control of unmanned aerial vehicle manipulator systems</article-title>. <source>Autonomous Robots</source><italic>,</italic> <volume>41</volume><issue>(5)</issue><italic>,</italic> <fpage>1203</fpage>&#x2013;<lpage>1220</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10514-016-9590-0</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>4.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ramon-Soria</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Arrue</surname>, <given-names>B. C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ollero</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Grasp planning and visual servoing for an outdoors aerial dual manipulator</article-title>. <source>Engineering</source><italic>,</italic> <volume>6</volume><issue>(1)</issue><italic>,</italic> <fpage>77</fpage>&#x2013;<lpage>88</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.eng.2019.11.003</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>5.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ikeda</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Minamiyama</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yasui</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ohara</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ichikawa</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Stable camera position control of unmanned aerial vehicle with three-degree-of-freedom manipulator for visual test of bridge inspection</article-title>. <source>Journal of Field Robotics</source><italic>,</italic> <volume>36</volume><issue>(7)</issue><italic>,</italic> <fpage>1212</fpage>&#x2013;<lpage>1221</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/rob.21899</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>6.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kim</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Seo</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shin</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kim</surname>, <given-names>H. J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Cooperative aerial manipulation using multirotors with multi-dof robotic arms</article-title>. <source>IEEE/ASME Transactions on Mechatronics</source><italic>,</italic> <volume>23</volume><issue>(2)</issue><italic>,</italic> <fpage>702</fpage>&#x2013;<lpage>713</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.3516</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>7.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yan</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Practical adaptive fractional-order nonsingular terminal sliding mode control for a cable-driven manipulator</article-title>. <source>International Journal of Robust and Nonlinear Control</source><italic>,</italic> <volume>29</volume><issue>(5)</issue><italic>,</italic> <fpage>1396</fpage>&#x2013;<lpage>1417</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/rnc.4441</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>8.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yan</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ju</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>A new adaptive time-delay control scheme for cable-driven manipulators</article-title>. <source>IEEE Transactions on Industrial Informatics</source><italic>,</italic> <volume>15</volume><issue>(6)</issue><italic>,</italic> <fpage>3469</fpage>&#x2013;<lpage>3481</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TII.9424</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>9.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Beikzadeh</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name></person-group>, (<year>2018</year>). <article-title>Trajectory tracking of quadrotor flying manipulators using L1 adaptive control</article-title>. <source>Journal of the Franklin Institute</source><italic>,</italic> <volume>355</volume><issue>(14)</issue><italic>,</italic> <fpage>6239</fpage>&#x2013;<lpage>6261</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jfranklin.2018.06.011</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>10.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ma</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yan</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A novel aerial manipulator system compensation control based on ADRC and backstepping</article-title>. <source>Scientific Reports</source><italic>,</italic> <volume>11</volume><issue>(1)</issue><italic>,</italic> <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>15</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-021-01628-1</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>11.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Aydemir</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ar&#x0131;kan</surname>, <given-names>K. B.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Evaluation of the disturbance rejection performance of an aerial manipulator</article-title>. <source>Journal of Intelligent &#x0026; Robotic Systems</source><italic>,</italic> <volume>97</volume><issue>(3)</issue><italic>,</italic> <fpage>451</fpage>&#x2013;<lpage>469</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10846-019-01013-1</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>12.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Orsag</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Korpela</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bogdan</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Oh</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Dexterous aerial robots&#x2014;mobile manipulation using unmanned aerial systems</article-title>. <source>IEEE Transactions on Robotics</source><italic>,</italic> <volume>33</volume><issue>(6)</issue><italic>,</italic> <fpage>1453</fpage>&#x2013;<lpage>1466</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TRO.2017.2750693</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>13.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kim</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Seo</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Choi</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kim</surname>, <given-names>H. J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Vision-guided aerial manipulation using a multirotor with a robotic arm</article-title>. <source>IEEE/ASME Transactions on Mechatronics</source><italic>,</italic> <volume>21</volume><issue>(4)</issue><italic>,</italic> <fpage>1912</fpage>&#x2013;<lpage>1923</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2016.2523602</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>14.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yang</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Nonsingular fast terminal sliding-mode control for nonlinear dynamical systems</article-title>. <source>International Journal of Robust and Nonlinear Control</source><italic>,</italic> <volume>21</volume><issue>(16)</issue><italic>,</italic> <fpage>1865</fpage>&#x2013;<lpage>1879</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/rnc.1666</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>15.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Madani</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Daachi</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Djouani</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Non-singular terminal sliding mode controller: Application to an actuated exoskeleton</article-title>. <source>Mechatronics</source><italic>,</italic> <volume>33</volume><italic>,</italic> <fpage>136</fpage>&#x2013;<lpage>145</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechatronics.2015.10.012</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-16"><label>16.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yi</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhai</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Adaptive second-order fast nonsingular terminal sliding mode control for robotic manipulators</article-title>. <source>ISA Transactions</source><italic>,</italic> <volume>90</volume><italic>,</italic> <fpage>41</fpage>&#x2013;<lpage>51</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.isatra.2018.12.046</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>17.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yu</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Design and implementation of terminal sliding mode control method for PMSM speed regulation system</article-title>. <source>IEEE Transactions on Industrial Informatics</source><italic>,</italic> <volume>9</volume><issue>(4)</issue><italic>,</italic> <fpage>1879</fpage>&#x2013;<lpage>1891</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TII.2012.2226896</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>18.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Miao</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hwang</surname>, <given-names>I.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Adaptive fast nonsingular terminal sliding mode control for attitude tracking of flexible spacecraft with rotating appendage</article-title>. <source>Aerospace Science and Technology</source><italic>,</italic> <volume>93</volume><italic>,</italic> <fpage>105312</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ast.2019.105312</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>19.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>R&#x00ED;os</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Falc&#x00F3;n</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gonz&#x00E1;lez</surname>, <given-names>O. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dzul</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Continuous sliding-mode control strategies for quadrotor robust tracking: Real-time application</article-title>. <source>IEEE Transactions on Industrial Electronics</source><italic>,</italic> <volume>66</volume><issue>(2)</issue><italic>,</italic> <fpage>1264</fpage>&#x2013;<lpage>1272</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.41</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>20.</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>W. H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ballance</surname>, <given-names>D. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gawthrop</surname>, <given-names>P. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gribble</surname>, <given-names>J. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>O&#x2019;Reilly</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>1999</year>). <article-title>A nonlinear disturbance observer for two link robotic manipulators</article-title>. <conf-name>Proceedings of the 38th IEEE Conference on Decision and Control</conf-name>, pp. <fpage>3410</fpage>&#x2013;<lpage>3415</lpage>. <conf-loc>Phoenix, USA</conf-loc>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-21"><label>21.</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chang</surname>, <given-names>Z. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luo</surname>, <given-names>Y. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shao</surname>, <given-names>Y. H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chu</surname>, <given-names>H. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Fuzzy sliding mode control for rotorcraft aerial manipulator with extended state observer</article-title>. <conf-name>2020 Chinese Automation Congress (CAC)</conf-name>, pp. <fpage>1710</fpage>&#x2013;<lpage>1714</lpage>. <publisher-name>IEEE</publisher-name>, <conf-loc>Shanghai, China</conf-loc>. </mixed-citation></ref>
<ref id="ref-22"><label>22.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Vazquez</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Marquez</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Extended state observer-based sliding-mode control for three-phase power converters</article-title>. <source>IEEE Transactions on Industrial Electronics</source><italic>,</italic> <volume>64</volume><issue>(1)</issue><italic>,</italic> <fpage>22</fpage>&#x2013;<lpage>31</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.2016.2610400</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-23"><label>23.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tan</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Tuning of linear active disturbance rejection controller with robustness specification</article-title>. <source>ISA Transactions</source><italic>,</italic> <volume>85</volume><italic>,</italic> <fpage>237</fpage>&#x2013;<lpage>246</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.isatra.2018.10.018</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-24"><label>24.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hekimo&#x011F;lu</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Optimal tuning of fractional order PID controller for DC motor speed control via chaotic atom search optimization algorithm</article-title>. <source>IEEE Access</source><italic>,</italic> <volume>7</volume><italic>,</italic> <fpage>38100</fpage>&#x2013;<lpage>38114</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/Access.6287639</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-25"><label>25.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Isiet</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gadala</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Sensitivity analysis of control parameters in particle swarm optimization</article-title>. <source>Journal of Computational Science</source><italic>,</italic> <volume>41</volume><italic>,</italic> <fpage>101086</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jocs.2020.101086</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>26.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yan</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Time delay control of cable-driven manipulators with artificial bee colony algorithm</article-title>. <source>Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering</source><italic>,</italic> <volume>42</volume><issue>(2)</issue><italic>,</italic> <fpage>177</fpage>&#x2013;<lpage>186</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1139/tcsme-2017-0043</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-27"><label>27.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Salloom</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yu</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>He</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kaynak</surname>, <given-names>O.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Adaptive neural network control of underwater robotic manipulators tuned by a genetic algorithm</article-title>. <source>Journal of Intelligent &#x0026; Robotic Systems</source><italic>,</italic> <volume>97</volume><issue>(3)</issue><italic>,</italic> <fpage>657</fpage>&#x2013;<lpage>672</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10846-019-01008-y</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-28"><label>28.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kommula</surname>, <given-names>B. N.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kota</surname>, <given-names>V. R.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Direct instantaneous torque control of brushless DC motor using firefly algorithm based fractional order PID controller</article-title>. <source>Journal of King Saud University-Engineering Sciences</source><italic>,</italic> <volume>32</volume><issue>(2)</issue><italic>,</italic> <fpage>133</fpage>&#x2013;<lpage>140</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jksues.2018.04.007</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-29"><label>29.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Singh</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sharma</surname>, <given-names>V.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Salp swarm algorithm-based model predictive controller for frequency regulation of solar integrated power system</article-title>. <source>Neural Computing and Applications</source><italic>,</italic> <volume>31</volume><issue>(12)</issue><italic>,</italic> <fpage>8859</fpage>&#x2013;<lpage>8870</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00521-019-04422-3</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-30"><label>30.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Mirjalili</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gandomi</surname>, <given-names>A. H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mirjalili</surname>, <given-names>S. Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Saremi</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Faris</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Salp swarm algorithm: A bio-inspired optimizer for engineering design problems</article-title>. <source>Advances in Engineering Software</source><italic>,</italic> <volume>114</volume><italic>,</italic> <fpage>163</fpage>&#x2013;<lpage>191</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.advengsoft.2017.07.002</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-31"><label>31.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Fanni</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Khalifa</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>A new 6-DOF quadrotor manipulation system: Design, kinematics, dynamics and control</article-title>. <source>IEEE/ASME Transactions on Mechatronics</source><italic>,</italic> <volume>22</volume><issue>(3)</issue><italic>,</italic> <fpage>1315</fpage>&#x2013;<lpage>1326</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2017.2681179</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-32"><label>32.</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jimenez-Cano</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Braga</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Heredia</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ollero</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Aerial manipulator for structure inspection by contact from the underside</article-title>. <conf-name>2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)</conf-name>, pp. <fpage>1879</fpage>&#x2013;<lpage>1884</lpage>. <publisher-name>IEEE</publisher-name>, <conf-loc>Hamburg, Germany</conf-loc>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-33"><label>33.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jimenez-Cano</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Heredia</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bejar</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kondak</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ollero</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Modelling and control of an aerial manipulator consisting of an autonomous helicopter equipped with a multi-link robotic arm</article-title>. <source>Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering</source><italic>,</italic> <volume>230</volume><issue>(10)</issue><italic>,</italic> <fpage>1860</fpage>&#x2013;<lpage>1870</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-34"><label>34.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kim</surname>, <given-names>S. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lee</surname>, <given-names>D. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jung</surname>, <given-names>G. P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cho</surname>, <given-names>K. J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>An origami-inspired, self-locking robotic arm that can be folded flat</article-title>. <source>Science Robotics</source><italic>,</italic> <volume>3</volume>(<fpage>16</fpage>), eaar2915. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/scirobotics.aar2915</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-35"><label>35.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhong</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Miao</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mao</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>A practical visual servo control for aerial manipulation using a spherical projection model</article-title>. <source>IEEE Transactions on Industrial Electronics</source><italic>,</italic> <volume>67</volume><issue>(12)</issue><italic>,</italic> <fpage>10564</fpage>&#x2013;<lpage>10574</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.41</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-36"><label>36.</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chang</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zheng</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>A modified nonlinear dynamic inversion method for attitude control of UAVs under persistent disturbances</article-title>. <conf-name>2017 IEEE International Conference on Information and Automation (ICIA)</conf-name>, pp. <fpage>715</fpage>&#x2013;<lpage>721</lpage>. <publisher-name>IEEE</publisher-name>, <conf-loc>Macao</conf-loc>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-37"><label>37.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Shi</surname>, <given-names>D. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dai</surname>, <given-names>X. H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>X. W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Quan</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>A practical performance evaluation method for electric multicopters</article-title>. <source>IEEE-ASME Transactions on Mechatronics</source><italic>,</italic> <volume>22</volume><issue>(3)</issue><italic>,</italic> <fpage>1337</fpage>&#x2013;<lpage>1348</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2017.2675913</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-38"><label>38.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Tian</surname>, <given-names>B. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lu</surname>, <given-names>H. C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zuo</surname>, <given-names>Z. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zong</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>Y. P.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Multivariable finite-time output feedback trajectory tracking control of quadrotor helicopters</article-title>. <source>International Journal of Robust and Nonlinear Control</source><italic>,</italic> <volume>28</volume><issue>(1)</issue><italic>,</italic> <fpage>281</fpage>&#x2013;<lpage>295</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/rnc.3869</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-39"><label>39.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>Y. M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>An adaptive fault-tolerant sliding mode control allocation scheme for multirotor helicopter subject to simultaneous actuator faults</article-title>. <source>IEEE Transactions on Industrial Electronics</source><italic>,</italic> <volume>65</volume><issue>(5)</issue><italic>,</italic> <fpage>4227</fpage>&#x2013;<lpage>4236</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.41</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-40"><label>40.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Dai</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ke</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Quan</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cai</surname>, <given-names>K. Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>RFlySim: Automatic test platform for UAV autopilot systems with FPGA-based hardware-in-the-loop simulations</article-title>. <source>Aerospace Science and Technology</source><italic>,</italic> <volume>114</volume><italic>,</italic> <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>14</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ast.2021.106727</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-41"><label>41.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Dhadekar</surname>, <given-names>D. D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sanghani</surname>, <given-names>P. D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mangrulkar</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Talole</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Robust control of quadrotor using uncertainty and disturbance estimation</article-title>. <source>Journal of Intelligent &#x0026; Robotic Systems</source><italic>,</italic> <volume>101</volume><issue>(3)</issue><italic>,</italic> <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>21</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10846-021-01325-1</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-42"><label>42.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Tang</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ye</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lin</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>An integral TSMC-based adaptive fault-tolerant control for quadrotor with external disturbances and parametric uncertainties</article-title>. <source>Aerospace Science and Technology</source><italic>,</italic> <volume>109</volume><italic>,</italic> <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>13</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ast.2020.106415</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-43"><label>43.</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Azar</surname>, <given-names>A. T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Serrano</surname>, <given-names>F. E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Koub&#x00E2;a</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kamal</surname>, <given-names>N. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Vaidyanathan</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Adaptive terminal-integral sliding mode force control of elastic joint robot manipulators in the presence of hysteresis</article-title>. <conf-name>International Conference on Advanced Intelligent Systems and Informatics</conf-name>, pp. <fpage>266</fpage>&#x2013;<lpage>276</lpage>. <publisher-name>Springer</publisher-name>, <conf-loc>Tokyo, Japan</conf-loc>. </mixed-citation></ref>
<ref id="ref-44"><label>44.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Giusti</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Malzahn</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tsagarakis</surname>, <given-names>N. G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Althoff</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>On the combined inverse-dynamics/passivity-based control of elastic-joint robots</article-title>. <source>IEEE Transactions on Robotics</source><italic>,</italic> <volume>34</volume><issue>(6)</issue><italic>,</italic> <fpage>1461</fpage>&#x2013;<lpage>1471</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TRO.8860</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-45"><label>45.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ju</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhao</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A light cable-driven manipulator developed for aerial robots: Structure design and control research</article-title>. <source>International Journal of Advanced Robotic Systems</source><italic>,</italic> <volume>17</volume><issue>(3)</issue><italic>,</italic> <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>14</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1729881420926425</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-46"><label>46.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhao</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ju</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Practical continuous nonsingular terminal sliding mode control of a cable-driven manipulator developed for aerial robots</article-title>. <source>Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering</source><italic>,</italic> <volume>234</volume><issue>(9)</issue><italic>,</italic> <fpage>1011</fpage>&#x2013;<lpage>1023</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/0959651819899494</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-47"><label>47.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yu</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yu</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shirinzadeh</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Man</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name></person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Continuous finite-time control for robotic manipulators with terminal sliding mode</article-title>. <source>Automatica</source><italic>,</italic> <volume>41</volume><issue>(11)</issue><italic>,</italic> <fpage>1957</fpage>&#x2013;<lpage>1964</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.automatica.2005.07.001</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-48"><label>48.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Salgotra</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Singh</surname>, <given-names>U.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Singh</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Singh</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mittal</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Self-adaptive salp swarm algorithm for engineering optimization problems</article-title>. <source>Applied Mathematical Modelling</source><italic>,</italic> <volume>89</volume><italic>,</italic> <fpage>188</fpage>&#x2013;<lpage>207</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apm.2020.08.014</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-49"><label>49.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Survey on cloud model based similarity measure of uncertain concepts</article-title>. <source>CAAI Transactions on Intelligence Technology</source><italic>,</italic> <volume>4</volume><issue>(4)</issue><italic>,</italic> <fpage>223</fpage>&#x2013;<lpage>230</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1049/trit.2019.0021</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-50"><label>50.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Huang</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cai</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>A linguistic large group decision making method based on the cloud model</article-title>. <source>IEEE Transactions on Fuzzy Systems</source><italic>,</italic> <volume>26</volume><issue>(6)</issue><italic>,</italic> <fpage>3314</fpage>&#x2013;<lpage>3326</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TFUZZ.2018.2822242</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-51"><label>51.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhao</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yuan</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Comprehensive evaluation of national electric power development based on cloud model and entropy method and TOPSIS: A case study in 11 countries</article-title>. <source>Journal of Cleaner Production</source><italic>,</italic> <volume>277</volume><italic>,</italic> <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>14</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jclepro.2020.123190</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-52"><label>52.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kali</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Saad</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Benjelloun</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Khairallah</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Super-twisting algorithm with time delay estimation for uncertain robot manipulators</article-title>. <source>Nonlinear Dynamics</source><italic>,</italic> <volume>93</volume><issue>(2)</issue><italic>,</italic> <fpage>557</fpage>&#x2013;<lpage>569</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11071-018-4209-y</pub-id>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back>
</article>























