混合仿人智能图式的无人艇自主驾控系统设计

针对高度动态、不可预测的海洋环境,开展了无人艇智能运动控制系统的设计研究.首先本文利用认知学科的"图式"概念来分析人体运动控制系统的结构,提出一种混合式分层递阶结构,把人类的先验知识、专家经验融入到该结构中,并在实践中不断学习和完善,则形成了一种混合仿人智能图式;然后根据该图式的思想,设计了自主驾控系统的体系结构,并编制成简单实用、逻辑性强、能实时运行的控制流程;最后进行了无人艇的航线跟踪和安全自主航行的半实物仿真试验,仿真结果表明该无人艇可以安全的避开其他船舶并尽量跟踪航线.     

小型水面无人艇电力推进系统的设计与实现

针对小型水面无人艇的电能和推进效率要求,设计了一款基于MSP430F149的电力推进系统.通过对直流无刷电机、螺旋桨及驱动控制电路的设计,使水面无人艇能有效实现主动调节控制,满足直航回转等运动要求,保证无人艇的安全性与稳定性.最后通过Fluent仿真测试证明了该推进系统的优异性能,体现了较大实用价值.     

无人水面艇嵌入式基础运动控制系统研究

从硬件和软件两方面详细地讨论了无人水面艇嵌入式基础运动控制系统的体系结构.该运动控制系统采用了便于调试和监控的底层工控机和顶层控制机相结合的模式.同时详细阐述了无人水面艇基础运动控制系统的控制任务划分、运动控制实现、控制算法等流程.最后通过仿真试验表明,整个嵌入式基础运动控制系统满足可行性和可靠性要求.     

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。     

仿昆扑翼飞行器全解耦控制

针对仿昆扑翼飞行器飞行控制所面临的欠驱动问题,基于平均理论,提出采用周期时变反馈策略控制仿昆扑翼飞行器的策略,并给出了设计周期时变反馈控制器的输入参数化设计方法．该方法对飞行昆虫的扑翼运动进行仿生模拟,通过调整根翅运动参数,实现了对6个方向气动力和力矩的独立控制．本质上就是用参数表示欠驱动系统的输入,并以此构造周期时变反馈函数;从而在原系统中引入更多数目的独立控制量,将原系统转化为完全能控系统．然后,将此可控系统线性化,并利用线性反馈控制器设计工具设计其反馈控制律．仿真结果表明,基于该策略设计的控制器具有响应速度快、稳定误差小、鲁棒性强等特点．     

单喷泵无人滑行艇航向的反步自适应滑模控制

针对单泵喷水推进型无人滑行艇航向跟踪的非线性系统控制问题,对无人滑行艇的运动稳定性分析表明,其具有水平面内的自动稳定性.考虑建模误差和外界干扰力影响下的滑行艇运动响应模型,基于backstepping方法和滑模控制理论,提出了一种自适应滑模控制律.利用Lyapunov函数,证明该控制律保证了航向跟踪系统的全局渐近稳定性.仿真对比结果验证了所提出控制器的有效性.     

小型两栖仿龟机器人多模式运动研究

针对浅滩环境和水下狭窄空间的科研考察、资源勘探等任务,提出一种“腿－多矢量喷水”复合驱动的小型两栖仿龟机器人。通过研究“腿－多矢量喷水”复合式驱动系统的运动机理,设计仿生爬行步态和旋转步态。根据“腿－多矢量喷水”复合驱动机构的变结构特性,提出“H”、“工”和“X”等多模式运动。通过机器人水中运动学建模,建立基于实时动态推力矢量分配优化机制的水中3维自主运动控制方法。最后搭建机器人原型机,陆地上的多地形运动实验验证了机器人在非结构化浅滩环境中的适应能力强,水中运动控制实验验证了两栖机器人多模式运动控制的灵活性和可行性。     

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.     

喷水推进型无人艇航向跟踪的反步自适应滑模控制*

针对单泵喷水推进型无人滑行艇的航向跟踪非线性系统,提出了一种反步自适应滑模控制方法。该系统由无人艇运动非线性响应模型和舵机伺服系统组成,并考虑运动响应模型的建模误差、外界干扰力等非匹配不确定性,利用全局微分同胚坐标变换将原系统变换为具有下三角特征的非线性系统。基于Backstepping方法和滑模控制理论,提出了一种自适应滑模控制律;利用Lyapunov函数,证明该控制律保证了航向跟踪系统的全局渐近稳定性。仿真对比结果验证了所提出控制器的有效性。     

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.     

喷水推进式水面机器人H∞鲁棒航向跟踪控制

针对水面机器人(unmanned surface vehicle, USV)航向跟踪容易受到风、浪与水流干扰影响的问题,提出了一种基于线性变参(linear parameter varying, LPV)模型的H_∞鲁棒航向跟踪控制器.首先从水动力学机理出发,提出了基于速度变参的LPV模型.然后基于提出的速度变参LPV模型,利用线性矩阵不等式设计了USV的H_∞鲁棒航向控制器,用以抵抗风、浪与水流对机器人的影响.最后,在自主研发的3自由度欠驱动喷水推进式USV平台上进行了实验.实验结果表明,控制器可以实现鲁棒的航向跟踪控制.     

Research on disturbance rejection motion control method of USV for UUV recovery

The recovery of unmanned underwater vehicle (UUV) by unmanned surface vehicle (USV) has the characteristics of autonomy, safety, and efficiency. Taking the recovery of UUV by USV as the engineering background, this paper studies the guidance and anti-interference motion control of USV in the recovery process. Aiming at the problem of dynamic guidance when recovering UUV, the USV guidance strategy for UUV recovery is studied. Fuzzy guidance is introduced as the dynamic terminal guidance method, and a layered guidance strategy combining classical guidance and fuzzy guidance is proposed. On the basis of the theory of compact form dynamic linearization-based model-free adaptive control (CFDL-MFAC), the motion control of USV in the process of recovering UUV under the influence of model perturbation, external interference, and other uncertainties is studied. Theoretical analysis and experimental results show that there is a contradiction in the matching of dynamic change speed between the USV heading control subsystem and CFDL-MFAC. By introducing the difference item into the standard control criterion to weaken the integral effect in the heading control subsystem of USV, a difference-type compact format model-free adaptive control method (DCFDL-MFAC) is proposed, and the stability of DCFDL-MFAC method is proved theoretically. The effectiveness and practicability of the proposed method are verified by simulation tests and field tests of “Dolphin IB” small USV.     

Cooperative caging and transport using autonomous aquatic surface vehicles

We present a study on the cooperative control of two autonomous surface vehicles performing a caging and transport mission on the water surface. The two vehicles, connected to each other by means of a floating flexible rope, are required to capture a floating target from a given location, and transport it to a designated position. We focus on the coordination and control strategy to meet these requirements, and on its implementation on two under-actuated vehicles. We describe a multi-layered control architecture which achieves the goal, followed by simulation studies and field experiments with the two vehicles caging and transporting a floating target on the surface of a lake.     

Adaptive Tracking Control of Mobile Manipulators with Affine Constraints and Under-actuated Joints

Adaptive motion/force tracking control is considered for a class of mobile manipulators with affine constraints and under-actuated joints in the presence of uncertainties in this paper. Dynamic equation of mobile manipulator is transformed into a controllable form based on dynamic coupling technique. In view of the asymptotic tracking idea and adaptive theory, adaptive controllers are proposed to achieve the desired control objective. Detailed simulation results confirm the validity of the control strategy.     

无机械辅助结构自行车机器人控制仿真及实现

为实现自行车机器人的平稳直线行驶,论证了无机械辅助结构、仅靠调整车把维持自平衡的后驱自行车机器人动力学建模、姿态控制、系统仿真及实物样机实验.针对具有典型对称性欠驱动非完整约束的自行车机器人系统难于实现平衡控制问题,首先基于拉格朗日方法分析系统力学机理,建立简化动力学模型.然后基于部分反馈线性化原理,对车体横滚角与转把力矩的欠驱动子系统进行线性化处理及模糊自适应控制.仿真及实验结果表明,有效地实现了自行车机器人直线运动自平衡控制,为进一步开展自行车机器人以及其他欠驱动系统平衡运动控制奠定理论基础.     

基于STM32的无人船控制系统设计与实现

针对现有水面无人船(Unmanned Surface Vehicles, USV)自主导航问题,设计了一种基于STM32单片机的无人船运动控制系统。该系统以STM32F103芯片作为主控板核心芯片,采用了双MCU(Microcontroller Unit;微控制单元)架构,通过CAN总线形式实现数据采集板与运动控制板之间的通信;通过卡尔曼滤波算法实现全球定位系统(GPS)和捷联惯导系统(SINS)对无人船定位信息的数据处理,使无人船的定位更加准确;通过自抗扰控制算法实现无人船对航向角的闭环控制,以达到路径跟踪的目的;采用4G网络通信方式实现无人船的远程操控功能;同时设计了基于Java开发的上位机软件。实验结果表明,无人船在航向跟踪方面均方差可控制在2.18°左右,在路径跟踪方面垂直距离的均方差可控制在0.53m左右,证明了系统设计的准确性及可行性。     

基于LQR和变论域模糊控制的吊车防摆控制

针对吊车这类非线性欠驱动系统。提出一种基于LQR和变论域模糊控制的消摆控制方法．先将该系统分解为垂直运动和水平运动两个子系统；然后用变论域方法寻找最优反馈增益，从而解决了在绳长连续变化时，吊车系统的防摆优化控制问题．仿真结果表明了该方法的有效性。     

Using chaotic maps for 3D boundary surveillance by quadrotor robot

Chaotic maps have been shown to be suitable for applications that require unpredictable behavior. In this paper, the chaotic maps are used for motion planning and control of a quadrotor for boundary surveillance purposes. The chaotic motion would prevent anticipation of the future movement of the quadrotor, especially in hostile situations where an intruding opponent exists. The chaotic trajectories are constructed based on a closed three-dimensional curve representing the boundary. It is demonstrated that the proposed algorithm for 3D planning generates chaotic paths by investigating the Lyapunov exponents. The desired unpredicted trajectory is used as input to an under-actuated control system. The performance of the algorithm is shown by simulation of the control system applied to the dynamic model.     

A geometrical approach to the motion planning problem for a submerged rigid body

The main focus of this article is the motion planning problem for a deeply submerged rigid body. The equations of motion are formulated and presented by use of the framework of differential geometry and these equations incorporate external dissipative and restoring forces. We consider a kinematic reduction of the affine connection control system for the rigid body submerged in an ideal fluid, and present an extension of this reduction to the forced affine connection control system for the rigid body submerged in a viscous fluid. The motion planning strategy is based on kinematic motions; the integral curves of rank one kinematic reductions. This method is of particular interest to autonomous underwater vehicles which cannot directly control all six degrees of freedom (such as torpedo-shaped autonomous underwater vehicles) or in case of actuator failure (i.e. under-actuated scenario). A practical example is included to illustrate our technique.