高空无人机自动加油对接过程轨迹控制研究

针对无人机在高空自动加油对接过程中容易出现偏差的问题,提出了无人机空中自动加油精准对接的优化控制方案,研究并分析了影响加油锥管与受油接口快速准确对接的主要因素,通过运动轨迹生成器对浮锚加油锥套的运动轨迹进行模拟,无人机的自动飞行控制系统根据轨迹跟踪曲线对无人机的飞行姿态进行调整,引导无人机的受油接口与加油锥管进行精确对接,整个飞行轨迹跟踪控制过程优化了复杂高空环境中无人机加油对接的精准性;通过仿真实验表明,该高空无人机加油对接引导方法提高了空中管口对接的速度与抗干扰能力,可以满足各种复杂高空环境的无人机加油任务。     

实现目标自动跟踪的飞行控制系统

介绍一种能对目标实行自动跟踪的无人机的飞行控制系统，主要从控制方式及控制规律，硬件组成原理及软件结构等方面作了介绍。     

基于L1自适应着舰纵向控制与特性分析

考虑到舰载机着舰在最后阶段受到舰尾气流的不利影响。因此,为了提高舰载机着舰控制系统的鲁棒性,提出一种基于L1自适应控制的纵向着舰控制律设计方法。首先,对舰尾流进行分类并将其转化为控制系统的干扰模型,通过分析舰尾气流特性来构建与之相对应的L1自适应控制律结构;然后,基于L1自适应控制方法设计纵向自动着舰控制律,其中包括设计状态观测器、L1自适应控制律、低通滤波器和自适应律,并且对设计好的系统进行了稳定性分析;最后,讨论不同尺度风速的舰尾流对自动着舰系统的影响规律,并且采用“单因素方差分析法”对不同舰尾流环境下的着舰点进行分析。仿真结果表明不同风速下的舰尾流对着舰精度存在一定影响规律,并且所设计基于L1自适应纵向着舰控制律具有较强的自适应性和抗干扰能力。     

基于Kalman预测的空中加油锥套跟踪方法

利用加油锥套的位置和尺寸信息建立Kalman滤波方程,结合加油对接过程中锥套的运动特点设置模型参数,并引入目标遮挡系数实现参数的自适应调整,对锥套的运动进行状态估计,再通过改进的霍夫梯度法采集观测值对估计值进行修正。实验结果表明,本文研究的算法在工作范围内能够实现对锥套的稳定跟踪,特别是当锥套发生部分遮挡时具有较好的持续跟踪能力,对背景变化具有较好的适应性。     

基于L1自适应的无人飞艇俯仰姿态控制器设计

针对无人飞艇模型复杂的非线性特性和不确定因素干扰姿态控制的问题,采用L1自适应控制方法构建不确定参数模型,进行无人飞艇的纵向姿态控制律设计,提高了飞艇纵向控制抗扰能力。通过建立无人飞艇俯仰运动模型,结合LQR对系统进行反馈配置以改善其稳定性,并将系统配置为典型L1被控对象形式,利用投影算子引入不确定参数对模型修正,得到自适应的控制算法。结果表明,基于反馈优化配置的L1自适应控制算法能够使无人飞艇的俯仰得到良好的瞬态和稳态性能,对系统参数摄动具有较强的鲁棒性,可适用于无人飞艇的姿态控制。     

汽车自动驾驶纵向控制技术的研究

汽车自动驾驶的研究在国外一直是几十年们关注的热点，而我国才刚刚起步。本文按照系统建模、分析和控制的过程对汽车自动驾驶的纵向控制技术进行了深入探索和研究，针对汽车系统中存在的问题，提出了相应的解决方法，取得了有意义的结论。     

基于视觉的空中加油定位技术研究

空中加油作为增加飞行器续航能力的一种有效手段,正受到越来越多的关注和研究,而具有低成本、无源性等优点的视觉导航技术为自动空中加油的实现提供了可靠的解决方案。首先介绍了空中加油的基本概念,包括软、硬两种不同方式以及从交会到脱离的过程;然后以加油锥套、受油接口、飞行器机体三种不同的研究主体为切入点,梳理了针对自动空中加油问题的视觉定位解决方案,着重阐述了其中基于视觉的检测跟踪和位姿估计过程,总结了其中可用的视觉定位算法;最后讨论了当前该领域待解决的问题,并展望未来的研究方向。     

自主空中加油时变质量无人作战飞机非线性控制

针对自主空中加油中无人作战飞机(UCAV)位置保持问题, 进行了时变质量UCAV的动力学建模与非线性控制设计. 综合考虑了燃油传输对UCAV的质量、惯性矩阵和质心位置的影响, 基于相对于惯性系的状态变量, 推导了UCAV时变质量动力学方程. 通过引入谱半径, 将局部化自适应边界指令滤波反推方法应用于UCAV的位置保持控制. 使用逼近器对未知模型不确定性进行在线逼近. 对于固有逼近误差和外部扰动, 采用局部化自适应边界进行补偿. 通过指令滤波反推, 设计了相对位置、速度、姿态角和角速度四个反馈回路来保证UCAV的稳定性. 最后, 三种不同加油方案下的非线性仿真验证了非线性飞行控制律的有效性.     

基于神经网络的不确定机器人自适应滑模控制

提出一种机器人轨迹跟踪的自适应神经滑模控制。该控制方案将神经网络的非线性映射能力与变结构控制理论相结合,利用RBF网络自适应学习系统不确定性的未知上界,神经网络的输出用于自适应修正控制律的切换增益。这种新型控制器能保证机械手位置和速度跟踪误差渐近收敛于零。仿真结果表明了该方案的有效性。     

船舶自动舵控制技术发展研究

介绍与比较了船舶操纵的各种自动舵控制方法 ,船舶自动舵可分为四个发展阶段 ,即机械舵、PID舵、自适应舵和智能舵 ,其中智能舵为目前最先进的自动舵 ,它又分为专家系统、模糊舵和神经网络舵。     

A vision-based strategy for autonomous aerial refueling tasks

Autonomous aerial refueling is a key enabling technology for both manned and unmanned aircraft where extended flight duration or range are required. The results presented within this paper offer one potential vision-based sensing solution, together with a unique test environment. A hierarchical visual tracking algorithm based on direct methods is proposed and developed for the purposes of tracking a drogue during the capture stage of autonomous aerial refueling, and of estimating its 3D position. Intended to be applied in real time to a video stream from a single monocular camera mounted on the receiver aircraft, the algorithm is shown to be highly robust, and capable of tracking large, rapid drogue motions within the frame of reference. The proposed strategy has been tested using a complex robotic testbed and with actual flight hardware consisting of a full size probe and drogue. Results show that the vision tracking algorithm can detect and track the drogue at real-time frame rates of more than thirty frames per second, obtaining a robust position estimation even with strong motions and multiple occlusions of the drogue.     

Vibration suppression and fault-tolerant control of an aerial refueling hose with multiple actuators

In this paper, we propose an adaptive fault-tolerant boundary vibration control approach for the flexible aerial refueling hose with variable length, variable speed, and multiple actuators. A distributed parameter system (DPS) is utilized to represent the dynamic behavior of the flexible refueling hose more precisely and accurately. Based on the established DPS model, we present a boundary vibration controller to suppress the vibration of the flexible refueling hose. In the controller, fault-tolerant control with multiple actuators is considered to tackle the failure issues, and both multiplicative and additive failures are discussed in the fault situation. Then, by the Lyapunov direct method, we prove that the stability of the closed-loop system is guaranteed under the proposed control approach. Numerical examples are presented to support the theoretical derivation.     

不确定环境下的软管-锥套建模及控制研究

提出了一种能有效适应不确定性环境的锥套稳定控制方法。在对软管-锥套非线性动力学模型线性化及降阶处理的基础上,将大气紊流对软管-锥套的扰动视为随机扰动,并把这种扰动作为参数与软管-锥套系统降阶模型中的状态合并成增广的系统状态量,采用卡尔曼滤波方法对系统状态量进行实时估计,并设计LQG控制器,实现对锥套的稳定控制。仿真结果表明,该方法能实时跟踪大气紊流的变化,且具有较好的抗大气紊流干扰的能力,能保证锥套的稳定。     

Adaptive control of a quadrotor aerial vehicle with input constraints and uncertain parameters

In this paper, we address the problem of adaptive bounded control for the trajectory tracking of a Quadrotor Aerial Vehicle (QAV) while the input saturations and uncertain parameters with the known bounds are simultaneously taken into account. First, to deal with the underactuated property of the QAV model, we decouple and construct the QAV model as a cascaded structure which consists of two fully actuated subsystems. Second, to handle the input constraints and uncertain parameters, we use a combination of the smooth saturation function and smooth projection operator in the control design. Third, to ensure the stability of the overall system of the QAV, we develop the technique for the cascaded system in the presence of both the input constraints and uncertain parameters. Finally, the region of stability of the closed-loop system is constructed explicitly, and our design ensures the asymptotic convergence of the tracking errors to the origin. The simulation results are provided to illustrate the effectiveness of the proposed method.     

作业型飞行机器人动态滑翔抓取的鲁棒自适应控制

作业型飞行机器人是指将多自由度机械臂固连在飞行机器人上的一类新型机器人系统,它能够对周围环境施加主动影响,同时也存在较为复杂的动力学性能.本文针对作业型飞行机器人滑翔抓取物体时所受到的摩擦力和接触力问题以及在飞行过程中产生的转动惯量变化问题,设计了一种整体式鲁棒自适应控制策略.首先在作业型飞行机器人系统动力学建模中引入...     

空中加油场景下的目标联合检测跟踪算法

针对自主空中加油对接阶段的目标跟踪问题,提出一种空中加油场景下的目标联合检测跟踪算法。该算法采用检测跟踪一体化的CenterTrack网络实现对锥套的追踪,而针对计算量较大、训练耗时过长的问题,分别从模型设计与网络优化两方面改善该网络。首先,在跟踪器中引入膨胀卷积组,以在不改变感受野大小的前提下使得网络轻量化;同时,将输出部分的卷积层替换为深度可分离卷积层,从而减少网络的参数量与计算量;然后,对网络进行进一步的优化,即将随机梯度下降（SGD）法与Adam算法相结合,使网络更快收敛至稳定状态;最后,利用真实的空中加油场景视频与地面模拟视频制作相应格式的数据集,并将其用于实验验证。分别在自制的锥套数据集和MOT17公共数据集上进行了训练与测试,证实了提出算法的有效性。相较于原CenterTrack网络,改进的网络Tiny-CenterTrack减少了约48.6%的训练时长,并在实时性方面提升了8.8%。实验结果表明,改进后的网络在不损失网络性能的前提下可有效节省计算资源并在一定程度上提升实时性。     

无人机空中加油过程中分数阶滑模会合导引控制

针对带末端角度和末端速度约束的无人机空中加油自主会合问题,设计了一种3维分数阶滑模导引律,使无人机在无加油机主动配合的情况下具备自主会合能力.首先,根据无人机与加油机之间的相对运动关系,设计了3维比例导引规律,使无人机能够到达期望的加油位置.其次,利用滑模控制的强鲁棒性特点以及分数阶微积分的精细控制特性,基于变结构理论和李雅普诺夫稳定性理论设计了一种带有末端角度约束的3维分数阶滑模变结构控制律,并用所设计的分数阶滑模控制律对3维比例导引指令进行重构,使无人机能以期望的末端追踪角度到达加油位置.然后,构造了速度指令生成器,对无人机的末端速度进行约束.最后,对所设计的导引律进行了仿真验证,仿真结果表明所设计出来的导引律能满足追踪角度和速度约束的要求.     

Robust adaptive control for mobile manipulators

This paper addresses the trajectory tracking control of a nonholonomic wheeled mobile manipulator with parameter uncertainties and disturbances. The proposed algorithm adopts a robust adaptive control strategy where parametric uncertainties are compensated by adaptive update techniques and the disturbances are suppressed. A kinematic controller is first designed to make the robot follow a desired end-effector and platform trajectories in task space coordinates simultaneously. Then, an adaptive control scheme is proposed, which ensures that the trajectories are accurately tracked even in the presence of external disturbances and uncertainties. The system stability and the convergence of tracking errors to zero are rigorously proven using Lyapunov theory. Simulations results are given to illustrate the effectiveness of the proposed robust adaptive control law in comparison with a sliding mode controller.     

无人水面艇复合自适应轨迹跟踪控制

针对存在模型参数不确定性和极易受到风、浪、流等时变干扰的欠驱动无人水面艇的轨迹跟踪控制问题,根据扰动观测器能对不确定项和外界干扰进行估计和补偿且具有鲁棒性特点,提出一种基于复合扰动观测器的自适应轨迹跟踪控制。该复合自适应观测器利用跟踪误差和估计误差共同调节自适应参数,在不激励高频未建模动态的情况下,该复合自适应闭环控制系统可得到更快的收敛速度和更高的跟踪精度。理论分析和仿真实验证明了所提出的无人水面艇复合自适应控制的有效性。