欠驱动航天器姿态调节滑模控制

针对欠驱动航天器的姿态调节问题,设计了基于滑模变结构控制方法的控制器．给出基于四元数的三轴稳定欠驱动航天器动力学模型和运动学模型,在此基础上首先利用广义逆和二阶滑模趋近律设计了航天器欠驱动轴的姿态调节控制律,给出了欠驱动轴控制器所具有的一般形式,分析了控制器的可实现性,并引入微小摄动量以保证控制器解的存在,在保证欠驱动轴稳定的情况下,又设计了一阶滑模趋近律控制器实现可控轴的调节,最后证明了该控制方法在干扰作用下是有界稳定的,并进行了数值仿真,验证了所推导控制律对欠驱动航天器姿态调节控制的有效性．     

多欠驱动自主水面船的鲁棒协调控制器设计

针对基于海洋环境干扰与水动力参数摄动的多欠驱动自主水面船(autonomous surface vehicles,ASV)协调编队控制问题,本文设计了一种基于上下界终端滑模的鲁棒协调编队控制策略。在运动学回路中,利用单个ASV自身状态信息及其邻居信息,结合图论知识、Lyapunov稳定性理论以及约束函数特性,设计一种纵向速度与艏向转速的辅助控制律,实现了单个ASV跟踪其期望轨迹并与其邻居船体保持协调一致;在动力学回路中,基于终端滑模设计纵向与艏向控制律,使得纵向与艏向速度趋近于其辅助控制律;利用时变非线性级联稳定性理论证明了整个编队闭环控制系统全局一致渐进稳定(globally uniformly asymptotically stable,GUAS);此外,研究了基于通信延时下的多欠驱动ASV轨迹协调控制问题。从仿真实验可以看出距离跟踪误差与艏向角跟踪误差均收敛于零附近的邻域。     

基于非线性速度观测器的欠驱动VTOL滑模控制

针对具有外界输入干扰的欠驱动垂直起降飞行器(VTOL)模型,在无速度传感器或者速度传感器失效的情形下,提出一种新的基于非线性速度观测器的欠驱动VTOL滑模控制方法。首先,在考虑存在输入干扰向量的情况下,推导得到基于加速度扰动向量的垂直起降系统的一般形式,基于此形式采用非线性速度观测器估计系统未知状态。然后,对VTOL飞行器模型进行了四次解耦变换,将包含扰动信息的VTOL模型变换成一类欠驱动系统的标准模型,并设计滑模控制器。理论分析和仿真表明,上述方法能降低对系统状态的测量要求,简化控制系统的设计过程,并保证VTOL飞行器能够快速跟踪预定轨迹,且对输入干扰的不确定性具有鲁棒性。     

欠驱动水面船区域保持鲁棒滑模控制

针对风浪流等外界环境干扰下欠驱动水面船的区域保持控制问题,提出了一种基于对称障碍李雅普诺夫函数的鲁棒滑模控制策略使其严格满足区域保持边界限制。首先,利用反步法将欠驱动船区域保持控制器的设计分解为运动学回路和动力学回路;其次,在运动学回路中设计期望速度并将其视为虚拟输入,在动力学回路中利用鲁棒滑模方法实现对参考速度的跟踪控制;然后,根据位置状态约束条件引入对称障碍李雅普诺夫函数进行控制器设计,实现位置状态变量约束保证欠驱动船始终保持在规定区域内,不超出约束边界;此外,采用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的半全局渐近稳定性,并且使跟踪误差收敛到规定的邻域内;最后,对有无外界环境干扰下的欠驱动水面船进行仿真对比实验,仿真比较结果验证了所提控制律的有效性和鲁棒性。     

欠驱动USV神经网络自适应轨迹跟踪控制

为解决欠驱动USV系统在模型不确定性和未知海流干扰下的水平面轨迹跟踪问题,基于反步法与自适应技术,提出一种非线性鲁棒轨迹跟踪控制策略. 针对欠驱动USV参数不确定问题,运用神经网络自适应方法对欠驱动USV系统未知函数进行估计和逼近;然后,运用动态面方法获取虚拟变量的导数,不仅控制律结构简单,易于工程实现,而且有效地减小了传统反步法中虚拟变量直接求导的复杂性;针对未知时变海流的干扰,设计了一种指数收敛海流观测器,有效估计未知缓慢时变海流速度;其次,基于李雅普诺夫理论证明了所设计的控制器能够保证运动轨迹收敛于期望值,并且保证了该轨迹跟踪闭环控制系统所有信号最终一致有界;最后,在控制输入受限条件下,为检验该控制器的跟踪性能,选取圆轨迹作为参考轨迹,仿真实验表明,该控制器能够有效地实现预期轨迹,神经网络自适应方法对系统未知函数可有效估计和逼近,对未知时变海流干扰具有较强的鲁棒性,轨迹跟踪误差和速度跟踪误差均收敛到零附近的一个邻域内,从而验证了所提出控制器的有效性.     

基于惯性测量单元的欠驱动球形机器人惯性参数辨识

针对欠驱动球形机器人,提出基于惯性测量单元的惯性参数辨识方法。首先,根据Kane方法建立欠驱动球形机器人的动力学模型;其次,利用该模型中的三个欠驱动方程推导出球形机器人惯性参数辨识模型;最后,以一种新型的球形机器人为实验平台,根据安装在球形机器人框架上的惯性测量单元实测信息,对本文方法进行实验验证。实验结果表明,辨识结果具有合理性。该方法简单可行,为其他欠驱动机器人惯性参数辨识提供了一种新的思路。     

欠驱动水面船舶的非线性滑模轨迹跟踪控制

针对模型参数存在不确定性和风、浪、流时变干扰的三自由度欠驱动水面船舶动态轨迹跟踪控制问题,根据滑模控制对系统的不确定性和外界干扰具有鲁棒性的特点,提出了一种新型的非线性滑模控制律设计方法.在设计时根据欠驱动水面船舶的固有特性,船舶在横向上没有驱动,如果要同时控制船舶水平面位置和艏摇角3个自由度的运动,就需要分别引入关于纵向跟踪误差的一阶滑动平面和关于横向跟踪误差的二阶滑动平面来间接设计控制律.仿真结果表明,所设计的控制器能够使船舶跟踪虚拟船产生的参考轨迹,对参数不确定和外界扰动具有强的鲁棒性.     

一类平面欠驱动机械系统控制方法综述

欠驱动机械系统是机器人和非线性系统控制的研究热点,笔者对一类含有单一被动关节的平面欠驱动机械臂系统的控制方法的研究现状进行综述。给出了平面欠驱动机械臂的动力学模型和结构特点,并介绍了积分特性;根据积分特性将平面欠驱动机械臂分为完整系统、一阶非完整系统和二阶非完整系统, 并对现有运动控制方法展开分析和讨论;在此基础上,对平面欠驱动机械臂系统控制存在的问题进行了简要分析,针对未来研究方向进行了展望,如统一的控制策略,多被动关节平面机械臂控制,多平面欠驱动机械臂控制,空间欠驱动机械臂控制,鲁棒策略和实验验证。     

欠驱动四旋翼无人飞行器的滑模控制

针对六自由度欠驱动四旋翼无人飞行器(Quadrotor UAV)受控模型的复杂非线性问题,提出了一种系统简化方法,并基于简化后的模型设计了滑模控制器,实现了对复杂模型的非线性控制.首先,对Quadrotor UAV模型进行简化处理,从而可将系统解耦为完整驱动部分和欠驱动部分;进而,通过定义一个广义滑动流形实现欠驱动部分的滑模控制器设计;最后,利用Lyapunov理论证明了系统欠驱动部分的稳定性.仿真分析表明,本文提出的控制方法能够有效实现Quadrotor UAV的控制,且与经典PID控制方法相比,具有对外界扰动更强的鲁棒性.     

狭窄弯曲航段自动航迹控制方法研究

针对狭窄弯曲航段人工操船难度较大的问题,研究该环境下的自动航迹控制方法。为优化传统PID控制参数,引入最优控制策略,提出最优PID航向控制方法,可随船速和外界环境的变化实时调整PID参数。为精确控制航速以提高舵效,提出基于二分法的航速控制方法。考虑航向、航速控制二者的耦合关系,提出基于模型预测和反馈补偿的航迹控制方法。以蓝塘海峡出港航道为实验水域,在该水域分别进行了静水和环境干扰下的对比仿真实验。结果表明：静水中最优PID的最大航迹偏差为2 m,传统PID的最大航迹偏差为8 m,最大航速偏差为0.21 kn;风速12 m/s、波幅3 m、流速1.2 m/s环境干扰下,最优PID的最大航迹偏差为23 m,传统PID的最大航迹偏差为48 m,最大航速偏差为0.25kn;航迹控制方法与“先减速再加速”、“挂高取矮”等实践做法相一致。