具有时变扰动的四旋翼无人机有限时间预定性能控制

针对外界扰动、模型不确定性以及输出误差约束情况下的四旋翼无人机轨迹跟踪问题,提出有限时间预定性能控制策略.首先,将无人机动力学模型解耦为姿态子系统和位置子系统;其次,引入误差转换函数和性能约束函数,通过合理设计快速终端滑模面,实现转换误差有限时间收敛,从而实现原系统输出误差约束控制;进一步,通过稳定性分析可以得出所设计的控制器能够保证系统有限时间稳定,并且具有良好的暂稳态性能;最后,通过实例仿真验证所设计方法的有效性。     

基于观测优化的双机协同控制与避障

为实现不确定环境下无人机对远程超视距目标的精确指示,考虑空中移动和静止障碍物,提出基于观测优化的双机协同控制与避障算法,从而增加测量信息,减小目标状态估计的不确定度.以费舍尔信息矩阵(FIM)表征所获取的目标信息,理论推导出三维空间中双机最优观测的指标函数,并设计无人机协同控制律,得到优化的无人机观测航迹,增强无人机协...     

四旋翼无人机安全轨迹跟踪控制

针对存在安全约束的四旋翼无人机,为了保证其能够快速稳定地跟踪给定轨迹,本文提出了一种基于双闭环思想及控制障碍函数求解二次规划问题的控制器设计框架.首先,考虑到无人机的模型不确定性及外界干扰问题,基于快速非奇异终端滑模面设计了双闭环标称控制器,能够实现有限时间快速收敛.进一步地,为了解决无人机遇到的状态、距离约束等安全控制问题,利用控制障碍函数,将带有约束的控制器设计问题转化成二次规划的求解问题.最后,对提出的控制策略进行了仿真,验证了控制器的快速性和鲁棒性,并实现了给定轨迹的安全跟踪.     

一种多约束下无人机编队的模型预测控制算法

针对多无人机在编队飞行过程中需满足机间避碰、通信、避障等约束的问题,设计一种考虑多约束的分布式模型预测控制算法,使无人机编队在满足上述约束的前提下,实现轨迹跟踪、队形保持.首先,在不考虑通信时延、外界干扰、噪声的情况下,以四旋翼为控制对象,建立线性时不变的单机及编队运动模型;然后,在考虑状态约束、输入约束、机间避碰、机间通信、避障等多种约束的情况下,以轨迹跟踪、队形保持为控制目标,基于虚拟领航策略设计一种分布式模型预测控制算法;接着,对优化问题的可行性以及编队系统的渐近稳定性进行分析,其中算法的终端部分设计、相容性约束设计是保证系统稳定的关键;最后,利用6架无人机仿真验证所提出控制算法的有效性.     

基于LPV观测器的永磁同步电机反推控制

针对永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)无速度传感器转速跟踪控制精度问题,提出了一种基于线性变参数(Lineeo Parameteo Varying,LPV)转速观测器的永磁同步电机反推控制方法。该方法首先根据PMSM的LPV模型,推导出电机的凸胞形顶点方程;然后利用Lyapunov稳定性理论,获得了基于线性矩阵不等式(Lineeo Matrix Inequality,LMI)的观测器设计方法,构造了PMSM的LPV观测器,实现对电机转速及定子交轴电流的重构;最后运用反推控制策略,设计电机闭环系统控制器,实现对电机转速的高精度跟踪控制。仿真结果表明,该方法相较与传统PI矢量控制,跟踪精度高、响应快、抗负载扰动强,对实现PMSM的无速度传感器高精度转速跟踪控制具有重要意义。     

基于ESO的永磁同步电机伺服系统快速终端滑模控制

为了优化永磁同步电机(PMSM)伺服系统的控制性能, 本文提出了一种基于非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)和扩张状态观测器(ESO)的复合控制策略. 论文首先建立了考虑集总扰动的永磁同步电机数学模型, 根据所定义的非奇异终端滑模面和趋近律, 设计了位置跟踪控制器, 所设计的控制器采用非级联结构替代了传统的位置环和速度环控制器, 并通过李亚普诺夫定理证明了稳定性和有限时间内收敛. 为了进一步提高系统的抗扰动性能, 本文引入了扩张状态观测器来估计系统扰动并将其应用于前馈补偿. 然后, 文章对系统整体进行了稳定性证明. 最后,文章完成了基于所设计控制器的仿真和实验验证. 结果表明, 该控制器具有良好的位置跟踪性能且收敛速度快, 对外部干扰具有强鲁棒性.     

一种快速有限时间收敛的轨迹跟踪引导律EI北大核心CSCD

针对参考轨迹曲率变化大导致前视距离(LAD)调整不及时,使得无人船(USV)轨迹跟踪误差收敛慢的问题,本文利用轨迹跟踪几何关系,建立位置跟踪误差动态系统,引入曲率参数设计一种新型的时变前视距离(NTLAD),提出一种快速有限时间收敛的轨迹跟踪引导律(FFTC-GL),包括期望艏向引导律和期望巡航速度引导律研究,以快速准确跟踪大范围曲率的轨迹.首先,构造NTLAD的稳定约束条件,结合图解法求解NTLAD函数,实现法向误差快速有限时间收敛,并且引入曲率参数,快速准确地跟踪不同曲率的轨迹.其次,基于切向误差的有限时间技术,设计快速有限时间速度引导律,实现切向误差动态系统的有限时间稳定.最后,通过对比有限时间上确界,表明引导律对位置跟踪误差收敛的快速性.轨迹跟踪仿真表明FFTC-GL能够在有限时间内跟踪参考轨迹,保证曲线拐点位置跟踪误差快速收敛.     

全局收敛的带有输出约束柔性关节机械臂分段控制

针对带有输出约束和模型不确定的柔性关节机械臂系统,运用奇异摄动法将系统解耦成慢子与快子系统且分别进行控制器设计,从而实现与刚性控制方法的联系且能减少计算量.针对快子系统,采用速度差值反馈来抑制关节柔性引起的系统弹性振动.针对慢子系统提出了一种全局收敛的分段控制策略,将收敛域拓展到全局,克服了基于tan-障碍Lyapuov函数(BLF)反演控制需要系统初始误差在收敛域内的缺陷,且应用径向基(RBF)神经网络消除未知干扰和模型不确定性引起的误差,至此保证了系统的轨迹跟踪和输出约束要求.仿真对比表明,所提方法能使柔性关节机械臂在任意初始位置均能保持良好的跟踪性能,体现了控制器的有效性和优越性.     

轮式机器人轨迹跟踪控制系统的设计

针对轮式机器人轨迹跟踪控制系统误差收敛速率低、精度和实时性差的问题,采用反演控制算法并结合李雅普诺夫稳定性分析方法对轮式机器人的轨迹跟踪系统进行了优化设计;建立了轮式机器人轨迹跟踪控制系统的运动学模型,并对该模型进行位置偏差分析;在反演控制算法中引入了分部虚拟控制量,并分析和设计了其他间接受控量,提高了算法运行的效率;采用李雅普诺夫收敛定理对系统的收敛性进行分析,根据分析的结果提出了算法更加简单的控制律;利用Matlab软件的Simulink库对设计的轨迹跟踪控制系统试验研究;结果表明,与基于李雅普诺夫直接法或者迭代学习算法设计的轮式机器人轨迹跟踪控制系统相比较,设计的控制系统具有跟踪精度高、收敛速度快、实时性好的优点。     

四旋翼飞行器带速度补偿的多回路PID位置跟踪控制

针对四旋翼飞行器的位置跟踪问题,采用ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system)软件搭建了四旋翼飞行器的非线性数学模型,并将模型导入到Matlab中,采用多回路PID位置控制策略对飞行器的位置跟踪进行控制,并在此基础上提出采用速度PID进行补偿多回路PID的位置跟踪控制策略.仿真结果表明:所设计的速度PID对多回路PID的位置跟踪控制策略进行补偿,对于四旋翼飞行器位置控制具有响应速度快、超调小、鲁棒性强等特点;所采用的联合仿真方法效果直观.     

力矩输入有界的柔性关节机器人轨迹跟踪控制

为解决柔性关节机器人在关节驱动力矩输出受限情况下的轨迹跟踪控制问题,提出一种基于奇异摄动理论的有界控制器.首先,利用奇异摄动理论将柔性关节机器人动力学模型解耦成快、慢两个子系统.然后,引入一类平滑饱和函数和径向基函数神经网络非线性逼近手段,依据反步策略设计了针对慢子系统的有界控制器.在快子系统的有界控制器设计中,通过关节弹性力矩跟踪误差的滤波处理加速系统的收敛.同时,在快、慢子系统控制器中均采用模糊逻辑实现控制参数的在线动态自调整.此外,结合李雅普诺夫稳定理论给出了严格的系统稳定性证明.最后,通过仿真对比实验验证了所提出控制方法的有效性和优越性.     

Model-free prescribed performance fast nonsingular terminal sliding mode control with practical finite-time stability of uncertain robot manipulators

This paper addresses the problem of robust and high precision trajectory tracking control of uncertain robot manipulators with prescribed performance. Time delay estimation (TDE) technique is employed to estimate system model, then a new self-adjusting strategy (SAS) is designed to adjust TDE gain online. Prescribed performance control (PPC) method is used to guarantee transient response speed and steady-state accuracy. Moreover, the transform function of PPC employed in this paper has unlimited domain, which greatly improves the robustness and stability of system. An improved fixed-time dynamical system is firstly deduced and analyzed, then a new fast nonsingular terminal sliding mode surface is designed to accelerate convergence rate of tracking errors. Finally, the whole system is strictly proven to be practical finite-time stable, which means that tracking errors can converge to a small neighborhood of zero within a uniformly bounded convergence time. Main advantages of the proposed approach include model-free, robust, singularity-free, faster transient response and higher steady-state tracking precision. Experimental results carried out on the Rethink Sawyer Robot also verified the effectiveness of the proposed scheme.     

Decoupling Trajectory Tracking for Gliding Reentry Vehicles

A decoupling trajectory tracking method for gliding reentry vehicles is presented to improve the reliability of the guidance system. Function relations between state variables and control variables are analyzed. To reduce the coupling between control channels, the multiple-input multiple-output (MIMO) tracking system is separated into a series of two single-input single-output (SISO) subsystems. Tracking laws for both velocity and altitude are designed based on the sliding mode control (SMC). The decoupling approach is verified by the Monte Carlo simulations, and compared with the linear quadratic regulator (LQR) approach in some specific conditions. Simulation results indicate that the decoupling approach owns a fast convergence speed and a strong anti-interference ability in the trajectory tracking.      

针对运动目标的多无人机协同鸽群优化搜索方法

针对多无人机协同运动目标搜索问题,本文设计了改进鸽群优化算法的协同搜索决策.首先,基于运动目标的独立性,建立了服从正态分布的目标概率信息图模型;为了提高环境中目标存在的确定度,建立了搜索环境的确定度信息图.其次,通过建立的吸引和排斥数字信息素图,引导无人机向未搜索区域飞行,减少重复搜索概率,提高协同目标搜索效率,并基于传统的鸽群算法,通过加入速度更新修正机制和精英代机制对其进行改进.然后,结合环境中目标的存在概率信息以及无人机搜索目标的探测信息,使用改进鸽群优化算法,规划无人机的最优搜索飞行路径.并设计避碰机制,以有效防止无人机搜索过程中的碰撞.最后,通过比较仿真实验验证了改进鸽群优化算法对运动目标协同搜索的有效性.     

直线电机轨迹跟踪系统快速终端滑模控制

为提高永磁同步直线电机伺服系统的控制精度和鲁棒性,满足高速度高精度运动控制系统的要求,提出了一种快速终端滑模控制方法并建立了电机系统数学模型.分析和证明该控制算法的稳定性和鲁棒性.与传统的滑模控制方法相比,该算法确保了系统状态在平衡点邻域内具有更快的收敛速度,并最终收敛至平衡点.通过选择控制算法中合适的参数值,系统可达...     

非完整约束轮式移动机器人人工场导向控制研究

导向控制在非完整约束轮式移动机器人的运动控制中具有重要作用.该文通过建立人 工场的方法来引导和控制方向角,通过辅助的线速度控制前进或后退,以获取最佳收敛路径.同 时考虑到实际系统速度饱和限制,从而设计出一种新的非连续位姿镇定律.并将该结果扩展,使 得平面内任意点-点镇定、轨迹跟踪和路径跟踪问题均可得以实现,且对于跟踪问题仅需知道期 望位姿,所得控制器不仅设计简单、鲁棒性强、收敛速度快,还具有一定的普遍性.     

移动机器人轨迹跟踪快速终端滑模自抗扰控制

针对移动机器人动力学模型难以精确建立、运动过程中各种干扰对高精度轨迹跟踪造成偏航等问题,构造出一种快速终端滑模自抗扰控制器,实现了高速高精度轨迹跟踪控制目标.首先建立非完整移动机器人的干扰控制模型;然后运用扩张状态观测器实时监测系统未建模动态与各种干扰;同时将扩张状态量和系统反馈量作为快速终端滑模算法的系统变量;最后设...     

基于非线性干扰观测器的下肢外骨骼上楼梯滑模控制

针对下肢外骨骼在轨迹跟踪时对内部参数扰动和外界干扰较为敏感的特性,设计一种基于非线性干扰观测器的下肢外骨骼机器人滑模控制策略。首先建立下肢外骨骼上楼梯的动力学模型,分析其动力学特性;其次设计非线性干扰观测器,对下肢系统的不确定性和外部干扰进行观测;在此基础上,为保证系统轨迹跟踪误差的收敛性和减弱抖振,设计了低通滤波的滑模控制器,根据李雅普诺夫稳定性理论证明了下肢系统的稳定性;最后通过仿真与实验验证,该控制策略能够有效克服多种因素引起的干扰,改善系统的控制性能,提高系统的稳定性。     

智能车辆队列横纵向有限时间滑模控制

针对智能车辆队列横纵向控制及误差快速收敛问题,本文提出一种分布式横纵向有限时间滑模控制策略.首先,考虑跟踪误差的连锁反应及横纵向耦合效应,利用投影变换建立车辆队列横纵向误差模型,提出一种车辆队列横纵向控制框架.而后,针对误差快速收敛问题,设计非奇异积分终端滑模面(NITSM)与自适应幂次积分趋近律(APIRL),通过构造Lyapunov函数分析系统的有限时间稳定性与队列稳定性.最后,基于Trucksim/Simulink联合仿真以及实车实验进一步验证了本文方法的有效性.结果表明,本文所提方法能保证队列稳定性,并实现误差快速收敛,规避跟踪误差的连锁反应及车辆横向运动对纵向车间距误差的影响.     

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。