基于视线导引策略的无人艇航迹跟踪控制算法

为实现复杂海洋环境下无人艇对期望航迹的精确跟踪和安全航行控制问题,对目前用于无人艇航迹跟踪控制的视线导引策略进行了详细研究,可分为基于前视距离的视线导引策略和基于包围圈的视线导引策略两大类,并分析了两类算法各自的优缺点。建立无人艇数学模型,基于前视距离的视线制导策略和PID控制思想设计无人艇航迹跟踪控制算法。仿真实验结果表明：所提算法具有良好的航迹跟踪控制效果,可为现阶段我国无人艇自主航行控制技术的研究和无人艇装备建设提供参考。     

基于滑模变结构的无人直升机着舰控制研究

针对无人直升机着舰的特殊性,克服系统摄动、未建模动态及大气紊流的影响,提高舰载无人直升机着 舰的安全性和精度,基于滑模控制的方法分别设计了着舰控制系统的轨迹跟踪控制律和姿态控制律。采用基于输出 有界的twisting 控制器,通过轨迹跟踪算法保证生成有界的期望姿态角和总距;姿态部分采用小扰动线性化后的姿 态回路控制方程,设计了模型参考自适应滑模控制器,通过自适应项抵消外界干扰造成的误差,利用Lyapunov 稳定 性理论证明了系统的稳定性和跟踪误差收敛;通过仿真进行了实验验证。验证结果表明：所设计的控制器能够满足 无人直升机抗扰动和模型参数摄动的要求,并且设计方法简单,鲁棒性强,易于工程实现。     

面向空地协同作战的无人机-无人车异构 时变编队跟踪控制

本文研究了无人机自主伴飞协同侦察技术中的异构集群系统空地协同时变编队跟踪控制问题,要求多无人机与无人车在形成期望时变编队构型的同时,实现对领导者参考轨迹的跟踪。首先,对无人机与无人车进行单体运动学与动力学建模,并引入代数图论概念,建立异构集群系统的协同控制模型。然后,引入虚拟领导者刻画编队整体的运动轨迹,并基于对虚拟领导者状态的分布式观测器,对各无人机-无人车构造分布式编队跟踪控制器。进一步分析异构集群系统实现时变编队跟踪的可行性条件,给出编队跟踪控制器中各参数的选取方法。最后,给出了一个仿真例子来验证所设计控制器的有效性。     

微型无人直升机自适应路径跟踪控制

针对微型无人直升机惯性参数不确定并受外部扰动的情况,提出了一种新的自适应路径跟踪控制方法。该控制方法采用了双回路结构,外回路结合无人直升机的特点,设计了基于制导律的路径跟踪控制器,通过控制无人直升机升力和姿态完成对期望路径和期望速度的跟踪;内回路设计了基于L₁自适应算法的姿态控制器,经自适应律对惯性参数以及外部扰动进行实施估计和补偿,通过控制无人直升机的力矩达到跟踪期望姿态的目的。双回路控制器能够避免设计欠驱动系统带来的问题和困难,并由时标分离原理,能够证明有惯性参数不确定性和扰动情况下的系统跟踪误差一致有界。最后,对所设计的控制方法进行了数值仿真与飞行实验,验证了控制算法的可行性和性能。     

无人直升机自主飞行的全数字仿真

针对目前无人直升机控制方法无法自行决策、管理及诊断和自修复等问题,对无人直升机自主飞行进行全数字仿真。以带主旋翼和尾桨的无人直升机为背景,以其吹风试验获得的状态矩阵和控制矩阵为仿真模型,设计无人直升机自主飞行时的控制律。以VC++为开发环境,对该无人直升机模型进行全数字仿真。仿真结果表明:该方法合理可靠,界面友好,能实现飞行状态动态变化的实时监测。     

基于回路成形的涡扇发动机自抗扰控制

为抑制控制器硬件电路不确定性因素和控制中的内外干扰对涡扇发动机高压转子转速控制的影响,设计了线性自抗扰控制器。线性自抗扰控制器由跟踪微分器、扩张状态观测器和误差反馈控制器三部分组成,跟踪微分器负责安排转速指令过渡过程;扩张状态观测器充分利用转速变化的量测信息,可对转速控制信号的内外部干扰进行观测;误差反馈控制器设计时采用了频域校正方法设计控制器,在补偿扩张状态观测器预估干扰的同时,实现发动机的转速控制。最后对某型涡扇发动机控制系统的仿真结果表明,以上自抗扰控制器具有强鲁棒性和抗干扰性能。     

基于VC++的无人直升机仿真

仿真是无人直升机飞行控制应用技术研究的主要手段。以某新型无人直升机为背景,利用风洞试验获得的无人直升机不同速度、高度和重量下的状态和控制系数矩阵,采用基于多维线性插值的方法建立了无人机非线性模型。基于此非线性模型设计了无人直升机增稳控制器,并在Vc＋＋软件环境下进行了仿真。通过仿真复现了无人直升机纵横向耦合与前飞过程“掉高”的现象,并对现象的原因进行了详细分析。在仿真软件设计中,无人直升机模型与控制器采用模块化设计方法,具有一定的通用性。     

饱和输入限制下欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪控制

针对控制输入存在饱和限制的欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪问题,提出了一种饱和 控制方法。在航迹跟踪误差方程基础上,设计了一种误差信号观测器对原有跟踪误差进行近似,以避免由于跟踪误差直接求导所引起的控制器表达式的复杂化现象;推导得到一种新的误差动力学方程,通过引入一种光滑有界函数作为输入饱和条件的近似,以及一种Nussbaum型偶函数,设计了饱和动力学控制器;根据Lyapunov理论证明了该控制器能够使得自主水下航行器在控制输入饱和限制下,可以实现对任意光滑水平面航迹的跟踪控制,并保证跟踪误差是全局最终一致有界的。仿真实验结果验证了该设计方法是有效的,且对于模型参数误差具有一定的鲁棒性。     

无人艇非线性航迹鲁棒自适应跟踪控制

针对欠驱动水面无人艇（USV）的非线性航迹跟踪控制问题,提出一种基于单调3次埃尔米特样条插值（CHSI）和神经网络的鲁棒自适应控制方法。采用CHSI方法对航路点进行拟合,得到光滑的非线性期望航迹,解决了传统线性航迹容易使USV出现的摇摆、曲折问题;引入Serret-Frenet坐标系,并构建了自适应视线制导律,提高了收敛速度且减少了振荡;考虑USV模型的不确定性和环境干扰力影响,设计了简捷的鲁棒自适应神经网络控制器。稳定性分析结果证明了控制系统的收敛性;仿真实例验证了所提出的控制方法能够有效地改善USV航迹跟踪控制的精度和品质,并具有学习参数少、运算负载小的特点。     

有色噪声背景下直升机航迹滤波与预估的研究

结合武装直升机在巡航或搜索地面目标的特点,给出直升机航迹模型为协方差平稳随机模型。在线估计有色噪声参数,对测量噪声去相关。对直升机航迹进行卡尔曼滤波与预估。最后对有色噪声条件下的航迹进行了仿真研究,并与白噪声条件下的仿真结果进行比较,结果表明,这种方法具有很强的去相关能力,可以提高跟踪精度。     

基于模型预测控制的无人驾驶履带车辆轨迹跟踪方法研究

无人驾驶履带车辆的轨迹跟踪面临着系统不确定性和外界干扰等难以克服的不利因素。针对这一问题,通过研究履带车辆的滑动转向特性,建立了基于瞬时转向中心的履带车辆运动学模型。同时,针对参考路径是离散路点序列的特点,提出了一种基于3次Bezier曲线的参考路径自适应拟合方法,在实现路径平滑基础上提供道路的曲率信息。考虑到模型不确定性和外界干扰对轨迹跟踪精度的影响,设计了基于模型预测控制的轨迹跟踪控制器,并引入反馈校正,系统地处理无人驾驶履带车辆建模误差、环境约束以及执行机构约束。实车试验结果表明,该方法可以有效地抑制系统不确性和外界干扰的影响,实现无人驾驶履带车辆高精度的轨迹跟踪控制。     

参数自优化的有人与无人车辆编队鲁棒模型预测控制

为解决有人与无人车辆编队中,有人领航车紧急加减速和紧急转向控制输入对无人车跟踪控制的扰动问题,设计了一种参数自优化的有人与无人车辆编队鲁棒模型预测控制算法。通过采集分析历史数据确定控制器扰动的噪声极值,并经过适度放缩得到其鲁棒边界。设计抑制该扰动的局部反馈鲁棒控制器,并通过贝叶斯优化的方法实现鲁棒边界等控制器参数自优化。基于混合整数线性优化的方法预测有人领航车未来轨迹,并设计鲁棒模型预测控制器实现无人车对有人领航车的跟踪控制。仿真和实车试验结果表明：所设计的鲁棒模型预测控制器在跟踪精度方面相比于传统模型预测控制器有明显的提升;同时该控制器有效地抵抗了来自有人领航车紧急加减速和紧急转向控制输入、无人跟随车系统模型不确定性和外部环境的扰动,振荡情况明显改善,提高了系统的鲁棒性。     

基于非对称模型的欠驱动无人海洋运载器轨迹跟踪控制

研究一类欠驱动无人海洋运载器（UMV）的轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于非对称模型的积分反步控制方法。建立了非完全对称（左右对称、前后不对称）的欠驱动UMV水平面运动模型,考虑了系统阻尼系数矩阵和惯性系数矩阵非对角线元素存在非零项的问题;通过设计虚拟状态和控制输入反馈变换,解决了UMV轨迹跟踪控制过程中存在的角速度持续激励问题,得到了直线轨迹和曲线轨迹通用的跟踪控制器;在轨迹跟踪控制器当中引入跟踪误差的积分项,提高了UMV系统的全局稳定收敛速度,基于Barbalat引理和Lyapunov稳定性理论分析了系统的稳定性。借助实验室半物理仿真平台进行仿真实验,与传统基于对称模型的控制算法对比,体现出了基于非对称模型的欠驱动UMV轨迹跟踪控制方法的优越性。     

一种机器人轨迹跟踪的迭代学习控制方法

针对机器人轨迹跟踪问题,提出了一种带遗忘因子的迭代学习控制算法.给出了学习算法收敛的充分条件,该算法在不改变学习控制器结构的前提下,对要求跟踪的新的期望轨迹,利用系统的历史控制经验,合适地选择了初始控制输入,使系统的输出能尽快地收敛于新的期望轨迹,从而达到了改善系统跟踪性能的目的.仿真结果表明了该方案的有效性.     

滑模控制在制导弹药弹道跟踪中的应用

为使制导弹药有效地沿方案弹道飞行,研究了以姿态角为控制指令的三维滑模弹道跟踪控制系统。探讨了基于弹道修正策略的跟踪控制方案,将动态逆方法与趋近律滑模控制相结合设计了跟踪控制器。分析了控制器参数与系统的闭环稳定性、抖振与跟踪性能之间的关系。根据空间几何运动关系设计了过渡参考弹道,有效避免了启控点偏差带来的控制饱和问题,并给出了光滑的控制指令信息。弹道仿真表明,滑模控制可使制导弹药较严格地按期望轨迹飞行,对各种干扰具有较强的鲁棒性,控制器边界层参数的选择需综合权衡控制精度和抖振问题。     

四旋翼无人机反步积分自适应控制器设计

针对四旋翼无人机在实际应用过程中出现质量变化的情况,基于自适应控制理论设计质量观测器,用于实时观测无人机的质量并修正其质量参数。在经典反步控制器 (CBC)基础上,结合质量观测器和第一类控制误差积分,提出反步积分自适应控制器 (BIAC), 用于无人机的轨迹跟踪控制。该控制器的设计过程基于Lyapunov稳定性理论,能够保证系统的控制误差渐进稳定。应用MATLAB/Simulink软件环境完成轨迹跟踪仿真实验。仿真结果表明：在无人机存在质量慢变或质量突变情况下,BIAC可以更好地估计无人机实时质量;与CBC相比,地球坐标系Exeyeze下ze轴 轨迹误差减小80%左右,跟踪精度大为提高。     

自主驾驶车辆紧急避障的路径规划与轨迹跟踪控制

为减少道路突发事故,提高车辆通行效率,需要研究车辆的紧急避障以实现自主驾驶。基于车辆点质量模型,设计了非线性模型预测控制（MPC）路径规划器;基于车辆动力学模型,设计了线性时变MPC轨迹跟踪器。在路径规划层引入避障功能函数,通过车辆与障碍物的距离调节函数值大小,综合避障函数权重和路径偏差权重,规划出一条既能避开障碍物又使路径偏差最小的临时轨迹。在轨迹跟踪层,利用该临时轨迹和航向角偏差作为车辆主动转向控制参考量,将线性时变MPC优化问题转化为二次规划问题,计算满足车辆动力学约束的前轮转向角最优解。结果表明：所设计的双层MPC紧急避障控制策略对低速(60 km/h)、中速(80 km/h)、高速(100 km/h)行驶车辆有很强的适应性,高速行驶时最大质心侧偏角不超过1.0°,最大航向角偏差不超过2.5°,车辆横向稳定性良好,随着车速增大,车辆避障响应时刻提前;在多车连续避障场景中,自主驾驶车辆的质心侧偏角和航向角偏差均能控制在较小范围内,在多目标连续避障的路径规划和轨迹跟踪问题上同样具有很好的控制效果。     

基于强化学习补偿的地面无人战车行进间跟瞄自适应控制

针对底盘运动和路面起伏对地面无人战车行进间跟瞄带来的非线性干扰问题,提出一种 基于强化学习补偿的地面无人战车行进间跟瞄自适应控制方法。该跟瞄控制方法由主控制器与补偿控制器两部分构成,主控制器利用PID控制算法结合当前跟瞄误差得到主控制量,补偿控制器利用Dueling Q 网络强化学习算法对战车当前状态和局部规划路径附近的路面起伏信息进行处理得到补偿控制量。建立地面无人战车一体化运动学模型,对基于强化学习的补偿控制算法进行阐述;基于V-REP动力学软件在三维场景中进行仿真验证。实验结果表明：基于强化学习补偿的跟瞄控制方法对底盘运动和路面起伏具备较好的自适应能力,有效地提升了无人战车行进间跟瞄的准确性与稳定性。