欠驱动飞艇三维路径跟踪控制

针对欠驱动飞艇的路径跟踪控制问题,提出了一种基于制导向量场的三维路径跟踪控制方法.首先,引入向量场理论.接着基于牛顿–欧拉方程建立欠驱动飞艇动力学模型.基于所提模型和向量场理论构造制导向量场以获得期望姿态角和期望速度.然后结合反步法和PD控制设计路径跟踪控制器,用指令滤波器对控制器设计过程中虚拟控制的导数进行估计,避免了复杂的解析计算.所设计的控制器是由制导向量场子系统、姿态稳定环和速度跟踪环组成的内外环结构.稳定性分析证明了飞艇的路径跟踪误差最终一致有界.最后仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

自治飞艇直接自适应模糊路径跟踪控制

针对具有模型不确定和未知外部干扰的自治飞艇, 提出了直接自适应模糊路径跟踪控制方法. 该方法由路径跟踪控制和自适应模糊控制两部分组成. 首先基于飞艇的平面运动模型设计路径跟踪控制律, 包括制导律计算、偏航角跟踪和速度控制3 部分; 然后构造直接自适应模糊控制器逼近路径跟踪控制律中的不确定项. 稳定性分析证明所设计的控制律能使飞艇跟踪给定的期望路径, 跟踪误差收敛到原点的小邻域内. 仿真结果验证了所提出方法的有效性.

     

固定时间预测器下的欠驱动无人艇路径跟踪控制

无人艇是一类在水面自主移动的智能船艇, 具有无人自主, 航速高, 欠驱动的特点, 能应用到民用和军事的诸多领域. 针对欠驱动无人艇的路径跟踪问题, 本文在传统视线法制导律的基础上, 首次提出了一种新的固定时间收敛的预测器, 用于预测位置误差, 实现对干扰的估计和补偿. 与基于有限时间收敛的预测器的制导律相比, 固定时间预测器收敛时间不依赖于初始状态, 可以更快收敛. 此外, 为了保证跟踪控制器的有效收敛, 还设计了固定时间控制器, 将无人艇尾部的方向舵力矩作为控制器, 使无人艇航向角在固定时间收敛到期望艏向角. 最后通过仿真实验证明本文所提出的制导律和控制器能精确跟踪给定路径.     

欠驱动船舶的运动规划和全局指数跟踪控制

针对目前欠驱动船舶航迹跟踪控制难以实现跟踪任意可行航迹问题,提出一种运动规划方法。利用多项式拟合,并结合船舶动力学模型,通过离散期望点规划出操作性可实现的全部期望姿态。同时,为实现欠驱动船舶的航迹快速跟踪控制,提出一种全局指数航迹跟踪控制律。引入微分同胚变换,建立两个级联的子系统构成的航迹跟踪误差动态方程;基于反步法的设计原理,运用Lyapunov直接方法对变换后的误差系统设计了全局指数航迹跟踪控制律。仿真结果验证了所提出的全局指数航迹跟踪控制律能够有效实现跟踪任意可行航迹。     

风浪流干扰及参数不确定欠驱动船舶航迹跟踪的滑模鲁棒控制

针对欠驱动船舶的模型参数不确定和外界风浪流干扰问题,为实现水平面的航迹跟踪控制,提出了一种基于上下界的滑模控制方法.首先利用反步法将控制器的设计分解为运动学回路和动力学回路.其次,在运动学回路中为实现位置跟踪误差的收敛,根据期望航迹与当前位置信息,设计船舶的纵向与侧移参考速度,并视为镇定位置误差的虚拟控制律;在动力学回路中,将虚拟控制律作为新的跟踪目标,利用滑模方法设计实际控制律实现对参考速度的跟踪控制,最终实现了欠驱动船舶的跟踪控制.最后对有无干扰下的欠驱动船模分别进行了仿真实验,仿真结果证明了控制律的有效性.     

AUV归航和坐落式对接的半物理仿真

为解决现有仿真系统忽略海流干扰,不能直观反映模型实时运动状态的问题,设计了一套以3维视景方式呈现的半物理仿真系统,以直观地反映归航过程中、以及以类似直升机坐落方式进行对接回收的过程中AUV(自主式水下机器人)的运动状态.利用Multigen Creator软件对AUV和水下地形环境建模,通过Visual C++调用Vega的仿真界面库实现视景仿真;运动控制部分基于B样条理论设计归航时的全局路径规划方法,通过遗传算法搜索满足欠驱动约束的全局路径;利用制导控制和执行控制分层结构设计路径跟踪控制器,其中PID(比例-积分-微分)制导律能依据海流信息自适应调整参考姿态角,S面控制律能针对状态信息和参考姿态角实现稳定、快速、准确的响应.基于试验平台,模拟了AUV从释放位置出发、跟踪所计算出的全局路径从而完成自主归航最终实现坐落式对接的全过程.结果表明:海流在归航阶段对AUV的归航路径跟踪偏差量影响较小,在坐落式对接阶段当海流与AUV艏向相对角度较大时其影响较大,甚至使回收失败.所设计的半物理仿真系统可在海流影响下规划合理的AUV归航路径以完成回收,并实时直观地反映整个过程.     

基于反步法的欠驱动UUV的3维路径跟踪控制

研究了欠驱动无人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)在3维空间中的路径跟踪控制器设计及其稳定性分析问题.首先建立2阶积分器形式的欠驱动UUV空间6自由度运动模型和动力学模型.针对该运动模型,以位置误差作为虚拟控制变量,基于反步法(backstepping)设计路径跟踪控制器.根据李亚普诺夫理论,在理论上证明了所设计的路径跟踪控制系统是稳定的.该控制器实现了欠驱动UUV 3维空间的路径跟踪控制.仿真结果验证了控制器的有效性.     

智能车辆路径跟踪控制方法

为了提高智能车辆路径跟踪控制器的可靠性和控制精度,提出一种基于误差动力学模型的路径跟踪控制方法.基于车辆运动学模型和动力学模型建立系统误差动力学模型,并在此基础上推导出车辆路径跟踪控制的稳态控制律,利用李雅普诺夫稳定性理论验证稳态控制律的正确性.为了减小外部干扰对控制性能的影响,提高控制器的可靠性,进一步设计基于车辆侧向位移误差的瞬态控制律,并利用李雅普诺夫稳定性理论验证闭环系统的稳定性.稳态控制律和瞬态控制律构成了非线性的路径跟踪控制器.通过与车辆路径跟踪常用的线性控制器和非线性控制器对比验证所提出控制方法的有效性,线性控制器选用LQR控制器,非线性控制器选用Stanley控制器.仿真结果表明,与LQR控制器相比,所提出控制方法的路径跟踪控制精度、抗干扰性和可靠性更好.与Stanley控制器相比,所提出控制方法具有更好的路径跟踪控制精度和控制收敛速度,且在大曲率路径跟踪过程中具有更好的可靠性.     

基于自适应滑模的欠驱动无人艇轨迹跟踪控制算法

针对欠驱动水面无人艇在航行过程中存在的海洋环境干扰、数学模型参数不确定、执行器故障等问题,提出了一种基于扰动观测器与神经网络技术的自适应滑模轨迹跟踪策略。在无人艇三自由度模型的基础上,结合视线制导率,提出了一种新的轨迹跟踪制导策略。采用自适应滑模控制技术设计了欠驱动无人艇轨迹跟踪控制器,有效地抑制了执行器衰减故障对无人艇控制系统的影响;同时运用了非线性扰动观测器和自适应径向基函数神经网络分别对无人艇受到的外界干扰和模型参数不确定性进行补偿和拟合,提高了控制系统的抗干扰能力。基于Lyapunov定理证明了所设计的控制系统的稳定性,并在MATLAB中进行了仿真测试。仿真结果表明,所提出的轨迹跟踪控制算法可以在较为复杂的环境下实现对欠驱动无人艇的精准控制;相较于对比算法,位置的平均跟踪误差减小了80%以上,具备较高的稳定性和鲁棒性。     

欠驱动船舶神经网络自适应路径跟踪控制

针对模型参数未知的欠驱动船舶路径跟踪问题,将神经网络技术与反演设计法相结合,提出一种神经网络稳定自适应控制方法。首先根据运动学误差方程和线性变换确定辅助的前进速度和艏摇角,然后利用神经网络逼近技术对模型中任意不确定因素进行补偿,设计自适应控制律,使得实际的前进速度和艏摇角分别收敛到辅助值。应用Lyapunov函数证明了船舶路径跟踪闭环系统的误差信号最终一致有界。仿真结果表明,利用设计的控制律可以迫使欠驱动船舶跟踪曲线和直线路径,并且具有较强的鲁棒性。     

Error-constrained path-following control for a stratospheric airship with actuator saturation and disturbances

This paper is concerned with the path-following control problem for an under-actuated stratospheric airship with error constraint, actuator saturation, and external disturbances. To address the tracking error-constrained requirements of airship position and attitude, novel tan-type barrier Lyapunov functions are proposed and incorporated with the guidance and attitude control schemes, which calculate the desired attitude and angular velocity. An auxiliary design system in the form of anti-windup compensator is employed to deal with actuator saturation, and the stability of the saturated control solution is verified. Nonlinear disturbance observer is developed to estimate the unknown external disturbances. Rigorous stability analysis shows that the constrained requirements on the airship position and attitude will not be violated under the proposed control method and all closed-loop signals are uniformly ultimately bounded, despite the presence of actuator saturation and disturbances. Simulation results and comparisons illustrate the effectiveness of the proposed controller.     

非完整移动机器人全局路径跟踪控制

根据制导路径跟踪理论,提出了一种非完整移动机器人全局路径跟踪控制方法.这一方法首先在路径坐标系上计算实际位置与期望位置的误差,利用制导的路径跟踪理论,导出消除该误差所需的姿态角和路径参数更新律,然后据此求解角速度及实际控制.文中还给出了初始路径参考点的计算方法,分析了路径跟踪方向和反转方法.稳定性分析证明该方法没有控制奇异点,受控闭环系统全局一致渐近稳定.最后通过移动机器人典型路径跟踪实验验证了所提出方法的可行性.     

Finite-time path following control for a stratospheric airship with input saturation and error constraint

This paper addresses the finite-time path following control problem for an under-actuated stratospheric airship with input saturation, error constraint, and external disturbances. To handle the adverse effect of input saturation, anti-windup compensators are employed and finite-time convergence of the saturated control solution is established. Error constraints of airship position and attitude are handled by incorporating a tan-type barrier Lyapunov function (TBLF) in guidance and attitude control schemes. Backstepping design is presented with the anti-windup compensators, the TBLF, and nonlinear disturbance observers which estimate the external disturbances. Stability analysis shows that the tracking errors of the airship position converge into a small set around zero within finite-time, the constrained requirements on the airship position and attitude are not violated during operation, and all closed-loop signals are guaranteed to be uniformly ultimately bounded. Compared with the conventional control scheme, simulation results illustrate that the proposed finite-time controller offers a faster convergence rate and a higher path following accuracy for the stratospheric airship.     

基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器 (Autonomous underwater vehicle, AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型, 采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数, 避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程, 同时滤除了高频测量噪声, 增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路, 保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项, 保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性, 能够实现对三维路径的精确跟踪.     

PPR型平面欠驱动机械臂的点位控制

研究了PPR型平面欠驱动机械臂(第1个关节和第2个关节是移动关节且是受控的,第3个关节为被动的转动关节)在水平面运动的点位控制问题.首先,通过输入和坐标变换方法,系统的动力学方程被变换成二阶链式形式.其次,提出用反步法推导出保证系统指数渐近稳定的控制器.仿真结果表明,机械臂能够稳定地从任意初始位置运动到任意给定的位置,从而证明了控制器设计的有效性.     

两种连接形式的拖挂式移动机器人路径跟踪控制

拖挂式移动机器人是一种具有不同连接形式的多车体系统.本文对标准连接和非标准连接的拖挂式机器人,研究了前向和倒车路径的跟踪控制.首先,建立系统的运动学模型并进行运动特性分析;其次,基于Lyapunov方法提出一种与期望路径具有一致运动方向的单体机器人全局路径跟踪控制器;然后将其引入到两种拖挂式机器人的前向跟踪控制中,并分别通过运动学变换和反演控制实现了两种连接形式下的倒车跟踪控制,从而使多节车体始终保持一致的运动方向,避免了不合理位形的出现.仿真结果表明该方法的有效性.     

Adaptive backstepping sliding mode trajectory tracking control for a quad-rotor

A quad-rotor aircraft is an under-actuated,strongly coupled nonlinear system with parameter uncertainty and un-modeled disturbance.In order to make the aircraft track the desired trajectory,a nested double-loops control system is adopted in this paper.A position error proportional-derivative(PD) controller is designed as the outer-loop controller based on the coupling action between rotational and translational movement,and an adaptive backstepping sliding mode control algorithm is used to stabilize the attitude.Finally,both the numerical simulation and prototype experiment are utilized to demonstrate the effectiveness of the proposed control system.     

一类非线性系统的加速度规划输出跟踪动态控制

针对一类严格反馈形式的非线性二阶多输入多输出系统,提出一种带有加速度规划的输出跟踪动态控制策略.引入一个代替时间变量的路径参数用以规划路径跟踪时的加速度,回避了设计内环加速度控制回路的常规方法,简化了控制器的设计过程.对二阶系统的控制项求导进行系统扩维,基于新的增广系统,设计了使系统输出收敛于期望路径的反馈线性化动态控制律.再对加速度跟踪误差基于梯度法设计更新律使其渐近收敛于零,最后通过调节期望加速度实现定常速度控制.理论分析表明,误差闭环系统一致渐近稳定,速度误差有界.动力定位船舶循迹控制仿真结果表明了所提出控制器的有效性.