基于LMI的高超鲁棒控制及仿真

研究了高超声速飞行器鲁棒飞行控制器设计以及飞行控制系统的仿真验证问题,通过选择适当的加权函数矩阵,确定广义受控对象.线性矩阵不等式(LMI)技术是控制领域中研究问题的有效工具,控制器的分析与综合等问题可转化为LMI问题的求解,采用基于线性矩阵不等式的H∞控制器设计方法,设计了鲁棒控制器.仿真结果表明所设计的飞行控制系统具有鲁棒性,能有效地抗飞行过程中存在各种各样的干扰及摄动,很好地满足了飞行控制系统性能指标.     

基于轨迹线性化方法的近空间飞行器鲁棒自适应控制

研究一种新的近空间飞行器鲁棒自适应飞行控制系统设计方案。利用单隐层神经网络的函数逼近能力和被控对象分析模型的有用信息构建一种单隐层神经网络干扰观测器,用以在线估计系统中存在的不确定性,具有自适应调节能力的鲁棒控制器用以克服估计误差。将所得单隐层神经网络干扰观测器与轨迹线性化方法结合形成新的非线性系统鲁棒自适应控制方案,严格的理论证明在给定的自适应调节律作用下闭环系统所有误差最终有界。该控制方案被用于近空间飞行器飞行控制系统设计,高超声速飞行条件下的仿真结果表明该方法不仅有效,而且能够提供高精度、高稳定度的控制性能。     

近空间高超声速飞行器控制的几个科学问题研究

近空间高超声速飞行器的特点给其建模和控制带来了新的问题.本文 首先分析高超声速飞行器的特点,进一步给出 大包络飞行的统一模型.其次,总结了高超声速飞行器巡航控 制、再入姿态控制研究的现状,强调了弹性、非最小相位、再入制导控制一体化设计等问题. 最后,结合高超声速飞行器的发展,阐述了高超声速目标的拦截问题,提供未来可供研究的方向.     

近空间飞行器再入段复合控制系统设计研究

针对近空间飞行器再入时飞行空域较大,为保证剧烈变化环境下的姿态控制能力,需采用脉冲推力器和气动舵进行复合控制.协调工作原理和特性不同的执行机构以满足系统性能指标.基于减小复合控制器构型影响考虑,采用前馈-反馈复合控制器,以气动舵子系统构筑前馈回路,将复合模式下的控制系统设计问题转化为RCS子系统单回路设计,并通过对极限环特性分析给出纵向非线性控制律设计方法.仿真验证表明了气动舵输出平缓、推力器满足最大工作频数限制、姿态误差小于0 5度.仿真结果证明,方法在处理含有异类执行机构的近空间飞行器复合控制律设计问题是有效的.     

四旋翼飞行器建模及其运动控制

针对四旋翼飞行器是一个欠驱动、强耦合、非线性系统,提出了运用反步法解决系统非线性问题,达到对飞行器快速、准确、稳定控制目的.研究了以反步法作为非线性设计工具对飞行器控制系统的设计问题,将飞行控制系统分为内外环2个子系统.建立四旋翼飞行器动力学及运动学方程,并对数学模型进行适当简化.利用反步法求解飞行器内环姿态控制律,实现对目标姿态角的稳定控制;利用比例—积分—微分(PID)作为飞行器外环位置控制律,实现对目标位置的稳定控制.搭建飞行器系统模型,进行Matlab/Simulink仿真实验,结果表明:在小角度飞行和悬停状态下,飞行器的位置与姿态精度得到了有效控制,验证了数学模型与控制律设计的准确性.     

接触作业型飞行机械臂系统的力/位置混合控制

针对飞行机械臂系统移动接触作业问题,使用了一个力/位置混合控制框架,用以控制飞行器系统持续可靠地接触外部环境同时保持一定大小的接触力,并实现在接触过程中的期望轨迹跟踪.首先将作业空间分成2个子空间--约束空间和自由空间,并分别进行力控制和位置控制.对于力控制问题,证明闭环无人机系统是一个类弹簧-质量-阻尼系统,然后在约束子空间中设计逆动力学控制器来实现接触力控制.自由飞行空间中的运动控制依靠轨迹规划和位置控制器来实现.最后,开发了基于六旋翼飞行机器人的单自由度飞行机械臂系统,在飞行状态下进行接触墙面并跟踪倾斜直线轨迹的实验.结果显示本文所使用方法能够保证在平稳移动的同时控制期望的接触力.     

ILS对进近着陆支持情况的三维可视化仿真

在民航飞行着陆优化控制问题的研究中,着陆阶段作为飞行器运行的最后环节,对飞行安全至关重要.由于气候条件、导航信号受到电磁干扰影响,使飞行员难以准确着陆.为此,对进近着陆系统采用仪表着陆系统(Instrument Landing System,ILS)的航向天线特性,结合全球地理信息系统,采用ILS对飞行器终端区进近着陆支持的三维可视化方法.可依据ILS天线的辐射特性和电磁仿真软件,对ILS天线进行建模.根据航向天线的CSB和SBO信号在跑道中心线延长线方向最强特性得到航向面,与下滑面相交得到下滑道,并进行仿真.仿真结果证明了仿真ILS对飞行器的终端区进近着陆优化控制的准确性,表明改进方法的结果符合飞行器终端区进近着陆的要求,可以为民航机场在布设ILS台站和飞行校验时提供可靠的三维空间参考.     

双闭环四旋翼飞行器姿态稳定算法研究

小型四旋翼飞行器系统属于欠驱动、强耦合度的控制系统,在复杂外部空间飞行环境中,需要建立飞行姿态动力学模型,对多变量系统受到自然环境、气流、陀螺效应等的影响进行控制.虽然近年来新型材料、磁惯导技术和控制技术得到快速发展,但仍旧要针对四旋翼飞行器垂直起降、平行飞行等环节,选取模糊自整定PID控制、反演滑模控制、动态逆控制、线性二次高斯控制等方式,进行四旋翼飞行器飞行姿态与抖动的控制.采用自适应反演滑模控制算法,设计自适应高度控制器、补偿器,进行飞行器转动惯量、多变量负载控制,提高系统自我调节和抗干扰能力.     

基于局部交叠异步切换的网络控制系统故障检测

针对存在时变短时延和丢包的网络控制系统故障检测问题,将非线性对象建模为线性切换系统.考虑工程中存在的局部交叠切换律,将切换系统划分为若干局部交叠切换于系统.同时,考虑滤波器切换滞后引起的异步切换问题,进一步将系统增广为局部交叠异步切换系统.在此基础上,结合公共Lyapunov函数和平均驻留时间方法,以LMI形式给出检测滤波器设计方法.最后,通过某网络化飞行器的全包线飞行验证了所提出方法的有效性.     

近空间飞行器变增益非线性切换控制器设计

针对变后掠翼近空间飞行器大包络、多工作模态和模型不确定的特点,研究其模态切换过程中姿态的鲁棒跟踪控制问题.首先建立含扰动项的飞行器非线性切换模型,基于反步滑模方法和非线性干扰观测器设计鲁棒控制器,通过公共Lyapunov函数理论证明所设计的控制律能够保证闭环切换系统的稳定性;采用变增益切换控制策略为不同飞行模态设计合适的控制增益,用以提高系统的动态性能.仿真结果验证了所提出方法的有效性和必要性.     

基于多环QFT的高超声速飞行器鲁棒控制

阐述了定量反馈理论(QFT)的基本原理和设计方法,针对超燃冲压发动机不同工作状态时高超声速飞行器不确定性模型,应用多环QFT设计了高超声速飞行器纵向飞行控制系统;仿真结果表明,运用QFT方法设计的控制系统不仅具有良好的跟踪性能和抗干扰性能,而且能够很好地解决飞行控制系统由于模型参数具有不确定性而造成的控制系统鲁棒性设计问题,并从工程应用角度为高超飞行器纵向飞行控制系统提供了一种鲁棒控制设计方案。     

Low-cost Multi-UAV Technologies for Contour Mapping of Nuclear Radiation Field

Low cost UAVs are becoming more and more popular in both research and practical applications, and it leads to a new, potentially significant service product known as UAV-based personal remote sensing (PRS). Multi-UAV system with advanced cooperative control algorithms has advantages over single UAV system, especially in time urgent tasks such as detecting nuclear radiation before deploying the salvage. This paper considers two scenarios for nuclear radiation detection using multiple UAVs, of which contour mapping of the nuclear radiation is simulated. Then, for real applications, this paper presents a low-cost UAV platform with built-in formation flight control architecture together with a formulated standard flight test routine. Three experimental formation flight scenarios that imitate the nuclear detection missions are prepared for contour mapping of nuclear radiation field in 3D space.     

基于网络的飞行传感器仿真系统研究

提出了一种基于TCP／IP协议的传感器仿真系统,模拟无人机实际飞行中各类传感器的信导和电气特性,解决了全数字无人机飞行仿真系统中对飞机传感器进行实时仿真的问题。     

三维空管自动化系统投影技术研究

新一代空中交通管理系统的核心任务是对飞行器的四维航迹进行管理,而实现四维航迹有效显示的重要途径之一为三维透视投影技术。针对空管自动化系统的实际需求,求得三维空间透视投影的旋转矩阵及投影矩阵,给出一种新的投影算法,并结合三维地图软件对实际飞行器的标牌显示进行实验。实验结果表明所提出的方法可以实现三维空间到二维投影面的变换,是一种有效且可行的三维空间透视投影算法。     

Efficient complete coverage of a known arbitrary environment with applications to aerial operations

The problem of coverage of known space arises in a multitude of domains, including search and rescue, mapping, and surveillance. In many of these applications, it is desirable or even necessary for the solution to guarantee both the complete coverage of the free space, as well as the efficiency of the generated trajectory in terms of distance traveled. A novel algorithm is introduced, based on the boustrophedon cellular decomposition technique, for computing an efficient complete coverage path for a known environment populated with arbitrary obstacles. This hierarchical approach first partitions the space to be covered into non-overlapping cells, then solves the Chinese postman problem to compute an Eulerian circuit traversing through these cells, and finally concatenates per-cell seed spreader motion patterns into a complete coverage path. Practical considerations of the coverage system are also explored for operations with a non-holonomic aerial vehicle. The effects of various system parameters are evaluated in controlled environments using a high-fidelity flight simulator, in addition to over 200 km of in-field flight sessions with a fixed-wing unmanned aerial vehicle.     

基于DGPS航迹偏差的多旋翼无人机磁干扰检测技术研究

为了解决多旋翼无人机在飞行作业过程中受到环境磁干扰导致作业异常的问题,在使用DGPS进行差分定位的基础上,提出了一种基于航迹偏差的多旋翼无人机磁干扰检测技术;其基本原理是,当多旋翼无人机受到磁场干扰时,其飞行航迹会偏离预设航线,检测其航迹的偏离距离,通过与阈值比较,可以用来判断是否存在环境磁干扰;实验结果表明该方法可以有效检测环境磁场异常,在某些情况下比传统的磁航向角误差阈值检测方法可靠性更高,虚警率更小;综合使用航迹偏差检测方法和磁航向角误差检测方法,可有效(提高)环境磁场异常检测的准确度,降低虚警率。     

基于改进细菌觅食算法的飞控系统多模态参数优化

针对飞控系统参数优化过程中存在的解空间非凸性问题,或由于多约束条件下导致的全局最优不可达问题,提出一种基于改进细菌觅食算法的多模态参数优化方法.采用基于格型准则的采样方法以尽可能广泛地搜索解空间,并利用K均值聚类的小生境技术使得多个细菌种群能够分别搜索各自的区域,以尽可能多地获得解空间中不同位置的可行解.同时研究一种自适应深度搜索策略,确保算法在整个寻优过程中的鲁棒性.所提出算法可以在完成对系统优化的基础上,探寻飞控系统中各参数本身的可行域及其在解空间中所处的位置,也能够在一定程度上揭示解空间本身的特性.仿真结果验证了所提出算法可以有效地简化系统调参的过程,更为快速地获得一个满足设计性能期望的飞控系统.     

并行计算在网络化控制中的机遇与挑战

先进控制中存在着大量费时的计算，这限制了它们的应用．现代控制系统正在 向着网络化方向发展，为在控制系统中实施并行计算提供了必要的环境．控制系统的网络化 从根本上导致了控制应用中计算模式的变化．在网络化控制系统中运用并行计算技术可以 提高先进控制算法的计算速度,从而提高其控制品质和扩展其应用范围．本文探讨了在当今 流行的网络控制系统体系结构上实施并行计算以解决控制应用中的计算问题的可能性以及 待解决的问题．     

基于干扰观测器的非线性不确定系统自适应滑模控制

本文研究了一类基于非线性干扰观测器的多输入多输出非线性不确定系统的边界层自适应滑模控制方法并应用于近空间飞行器高精度姿态控制.考虑系统存在不确定性和外部干扰上界未知的情况,设计了基于干扰观测器的边界层自适应滑模控制器,以消除传统滑模控制中的"抖振"现象,使跟踪误差趋近于零.同时,利用李雅普洛夫方法严格证明了闭环系统的稳定性.最后将所研究的自适应滑模控制方法,应用于某近空间飞行器的姿态控制中,仿真结果表明在不确定性和外部干扰作用下能保证姿态控制的稳定性,对参数不确定具有较好的鲁棒性.     

Modeling Synchronous Muscle Function in Insect Flight: a Bio-Inspired Approach to Force Control in Flapping-Wing MAVs

Micro-aerial vehicles (MAV) and their promising applications—such as undetected surveillance or exploration of environments with little space for land-based maneuvers—are a well-known topic in the field of aerial robotics. Inspired by high maneuverability and agile flight of insects, over the past two decades a significant amount of effort has been dedicated to research on flapping-wing MAVs, most of which aim to address unique challenges in morphological construction, force production, and control strategy. Although remarkable solutions have been found for sufficient lift generation, effective methods for motion control still remain an open problem. The focus of this paper is to investigate general flight control mechanisms that are potentially used by real insects, thereby providing inspirations for flapping-wing MAV control. Through modeling the insect flight muscles, we show that stiffness and set point of the wing’s joint can be respectively tuned to regulate the wing’s lift and thrust forces. Therefore, employing a suitable controller with variable impedance actuators at each wing joint is a prospective approach to agile flight control of insect-inspired MAVs. The results of simulated flight experiments with one such controller are provided and support our claim.