四旋翼飞行器轨迹跟踪控制器的设计与验证

为了解决四旋翼飞行器在外界扰动影响和系统模型参数存在不确定性情况下的精确轨迹跟踪控制问题,设计并验证了一种四旋翼飞行器的非线性轨迹跟踪控制器。首先建立了考虑执行机构特性的四旋翼飞行器数学模型,并将虚拟控制量映射到了实际中对电机的控制;然后通过在反步法轨迹跟踪控制中加入积分项,设计了一种基于积分型反步法的非线性轨迹跟踪控制器,消除模型参数不确定性及外界干扰引起的误差,仿真结果验证了该方法的可行性;最后,利用QBall2四旋翼飞行实验平台,对所设计的非线性轨迹跟踪控制器进行验证,实际飞行实验结果表明了所设计控制器的有效性,提高了实际飞行过程中外界干扰和不确定性下的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制的精度。     

空间飞行器弹道/轨道一体化快速设计

为了提高空间飞行器的快速入轨能力,满足空间飞行器弹道/轨道设计工作的快速、精确、可靠要求,对空间飞行器弹道/轨道一体化快速设计方法进行了研究。首先,对空间飞行器进行动力学建模,分析弹道/轨道一体化设计需要满足的过程约束和终端约束,给出空间飞行器的飞行时序;为保证求解效率,针对传统的弹道设计数值求解算法进行了创新改进,综合应用改进牛顿迭代法、Broyden秩1方法和最速下降方法,保证算法在初值不准的条件下仍能快速收敛;最后,研究了一种新的内外多层次求解策略,同时将弹道段和轨道段分轮进行一体化设计,进一步提高了算法的可靠性。仿真结果表明,本文所研究的空间飞行器弹道/轨道一体化快速设计方法可在30s内实现弹道/轨道设计,设计精度为0.5m。该设计算法可靠、快速、精确,可应用于空间飞行器的快速入轨设计中。     

RLV再入段六自由度制导控制律设计

针对RLV再入段六自由度制导控制问题,给出了一种结合高阶滑模跟踪制导律和带干扰观测器的Backstepping姿态控制律的综合制导控制架构,实现了高精度通用RLV的再入六自由度轨迹跟踪的设计与仿真。以HORUS-2B飞行器为研究对象,基于约束预测校正方法规划了再入标称轨迹;针对轨迹运动方程建立了基于高阶滑模的纵向轨迹制导律和侧向制导逻辑,设计了带有干扰观测器的Backstepping非线性姿态控制器,保证RLV姿态角跟踪的快速性和精准度,并将制导系统与姿态控制系统有效融合。通过蒙特卡洛仿真证明了设计的六自由度制导控制律具有良好的轨迹跟踪和较强克服模型不确定的能力。     

基于自适应控制的四旋翼飞行器控制系统研究

四旋翼飞行器的模型参数具有不确定性和时变性,在复杂环境下执行任务时容易受到外界环境的干扰,导致常规控制器很难使四旋翼按照期望的轨迹稳定飞行。针对这一问题,基于Lyapunov稳定理论设计了一种性能优越的模型参考自适应控制方法。首先对四旋翼飞行器进行动力学建模,然后基于模型设计了自适应控制律。仿真结果表明,与常规PID控制方法相比,自适应控制方法能有效改善飞行过程中的漂移和震动,提高飞行器的抗干扰能力和自我调节能力。     

基于MPC的履带车步进行驶控制器设计

针对摊铺后处理履带车人工步进行驶易与摊铺路面发生碰撞,且难以摆正终点的车辆位置的问题,设计了一种基于MPC的履带车步进行驶控制器。该控制器基于四次多项式轨迹规划,规划步进轨迹,依据碰撞约束及终点平稳性设计目标函数;基于四次多项式规划结果,采用非线性MPC算法及线性MPC耦合PID算法进行轨迹跟踪仿真对比。仿真结果表明,控制器满足碰撞约束及轨迹平稳性要求,线性MPC算法实时性及轨迹跟踪效果更好,对提高路面摊铺后处理质量有重要意义。     

汽车实验用转向机器人轨迹规划

针对汽车操纵稳定性实验中的蛇行试验,为解决多约束条件下汽车实验用转向机器人生成满足实验条件轨迹的问题,研究车辆运动学模型特性,采用序列二次规划方法,以最优化轨迹的综合性能为目标,规划出满足运动学约束、速度约束、目标状态约束以及曲率连续约束的最优实验轨迹.设计模糊PID控制器,在人为控制的车速发生波动时前轮转角可进行相应调整.利用Simulink-CarSim搭建车辆模型以及轨迹规划模型,进行路径跟踪实验仿真.仿真实验结果表明,所提出的轨迹规划方法与控制方法能够生成满足车辆运动连续性要求和各项约束条件的平滑轨迹,且轨形跟踪效果较好.     

滑翔导弹末段多约束智能弹道规划

滑翔导弹末段飞行时空复杂度高、不确定性强、约束多,给弹道规划与制导算法带来了较大的建模和求解难度。针对这一问题,同时增大末段机动范围并提高弹道规划效率,本文提出一种利用连续型深度置信神经网络（Convolutional Deep Brief Networks,CDBN）预测机动能力、设计经由点状态实现末段多约束智能弹道规划的方法。过程中采用CDBN对机动能力进行在线预测,快速判定经由点状态的可行性,并且通过经由点状态智能设计,实现前后段能量的优化分配,扩大弹道机动包络;通过设计三角函数型弹目视线角实现末段弹道摆动机动,推导机动弹道最优末制导律对视线角进行跟踪,并调节机动频率以满足速度约束。仿真结果表明,CDBN相对BP网络具有更高的机动能力预测精度;本文所提智能弹道规划方法在满足末端速度约束的前提下,可以实现弹道摆动机动并大幅增加飞行包络。弹道规划能够在0.5 s内完成,满足工程应用的快速性要求。     

高超声速飞行器助推段纵向姿态控制

针对飞行器的飞行特点和自身的气动结构,建立了其助推段纵向控制的非线性数学模型,给出了静稳定性和模态特性的分析,发现了飞行器纵向快速发散的动态特性。根据飞行任务和运动特点,从稳定性、频率特性、轨迹敏感性等方面对两种控制策略进行对比分析。结果表明,控俯仰角作为高超声速飞行器助推段的控制律是更为有效合理的纵向控制策略。     

基于多约束的机器人关节空间轨迹规划

当机器人进行快速运动且运动时间确定时,由于受到驱动机构性能等因素的制约,机器人进行运动轨迹规划时需要考虑角加速度约束、角速度约束和角度约束等多个约束条件。通过对运动约束进行分析,提出基于梯形速度曲线的多约束条件下机器人关节空间轨迹规划方法。根据无约束条件下规划出的最小加速度运动轨迹,在角加速度满足约束的情况下对其进行优化,获得满足角速度约束和角度约束的最小角加速度运动轨迹。对加速度达到最大时的轨迹也无法满足约束条件的情况进行讨论。该轨迹规划方法兼顾机器人的运动平稳性与约束要求,并且能够充分发挥机器人关节的驱动性能。仿真结果表明了该方法的可行性。     

全捷联光学导引头视场角及输入约束下制导控制一体化设计

以全捷联光学制导飞行器打击运动目标为背景,本文将捷联解耦原理和状态约束控制方法相结合,提出了一种同时考虑导引头视场角约束和执行机构输入约束的新型制导控制一体化设计方法.首先,建立了具有严格反馈形式的全捷联制导控制一体化模型,针对模型的不确定性设计了一种对未知上界平方估计的自适应律,基于积分型障碍Lyapu?nov函数结...     

四旋翼飞行器非线性轨迹跟踪控制

针对四旋翼飞行器在复杂飞行条件下速度不可测的轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在外界未知干扰和模型参数不确定的情况,提出了一种基于扩张观测器的轨迹跟踪控制方法。该方法设计了积分型反步法跟踪控制器,以降低系统的稳态误差,并引入了状态扩张观测器,来估计系统未知速度信息,同时对干扰和模型参数不确定因素进行实时估计并给予补偿;最后,选取李雅普诺夫函数证明了该控制系统的稳定性。以Quanser公司的Qball2四旋翼飞行器为研究对象和飞行实验平台,对所设计的控制器进行验证。实验结果表明,本文所设计的基于扩张观测器的轨迹跟踪控制器,能够有效地估计轨迹跟踪控制过程中的未知速度信息,解决外界未知干扰和模型参数不确定的问题,增强对环境的适应能力,有效提高了飞行器对未知干扰的鲁棒性和轨迹跟踪控制的精确性。     

3-6Stewart平台安全机构设计

提出了一种通过优化杆长的最大伸长比来进行Stewart平台安全机构设计的方法。首先用 Stewart平台上平面顶点轨迹圆的集合定义了顶点空间 ,并通过设计伸长比 ,生成不同的顶点空间 ;进而在考虑上平面几何约束的条件下建立约束方程 ,在顶点空间内 ,将满足约束条件的机构的设计问题转化为三角形方程组解的存在性问题 ;最后利用 Strum定理来确保在任一组顶点轨迹圆上都存在满足约束条件的实解。仿真实验表明 ,应用该方法设计出的 Stewart平台不但能够满足机构的约束 ,而且具有最大的工作空间。     

风场环境下的飞行器参数计算平台

飞行器参数计算平台是飞行器研制过程中的重要支撑技术之一,可以为飞行器的设计提供研究所需的飞行参数以及对分系统的设计方案进行验证。风是影响飞行器参数的关键因素之一。为了准确的计算出风场环境下的飞行器参数,对风场环境下飞行器参数计算平台的建立方法进行研究。首先,分析影响飞行参数的各个分系统,建立飞行器参数计算平台的理论框架。接着,对大气风场进行研究,分析其对飞行轨迹的影响。然后,在Simulink环境下进行建模,对于复杂的飞行力学运动方程组,采用C MEX S-function进行编程实现。最后,在统一接口参数的基础上,进行子模块的封装,并且将各分系统的子模块通过参数驱动进行连接,建立飞行器参数计算平台。通过对某型滑翔飞行器进行性能验证仿真实验,某型无控飞行器进行风场干扰仿真实验,证明平台计算稳定,最小计算步长可以达到1ms并且可以精确的模拟风场,计算风场环境下飞行器参数。最后通过某型无控飞行器仿真轨迹与外场飞行实验结果对比,结果表明：射程相对偏差为0.44%;最大高度相对偏差为1.8%。参照航天工业标准QJ 1997-90可以证明,该平台方案建模合理可靠,满足工程应用要求。     

风洞上攻角机器人轨迹规划算法研究与实现

为了提高机械臂跟踪目标轨迹的运动速度,对其目标轨迹进行二次规划。该轨迹规划算法通过引入路径参数s,将关节速度、力/力矩等约束转化为关于路径参数的约束,分别求取关节速度与力/力矩约束限制下路径参数s的最大速度曲线,对最大速度曲线求交集,获得多重约束最大速度曲线。采用模糊推理方法对目标轨迹进行离散化处理,减小优化规模;以0值加速度曲线乘以比例系数Kv替代关节力/力矩约束的最大速度曲线,提高算法的计算效率;通过速度特征点算法与修型射靶算法对规划得到的轨迹进行修形,确保修形后的目标轨迹满足关节速度、力/力矩的约束,并且速度曲线光滑。实验表明,该轨迹规划算法对不同复杂程度的目标轨迹都有着较好的规划性能,能够得到连续平滑的时间近似最优轨迹。     

含约束的能耗最优冗余度机械臂轨迹规划

针对如何降低冗余度或超冗余度机械臂轨迹优化复杂度的问题,提出了一种含约束的能耗最优机械臂轨迹规划方法。基于拉格朗日动力学对冗余度机械臂进行动力学建模,并利用均匀5次B样条函数来构建运动轨迹。为了提高轨迹优化的计算效率,通过在成本函数计算中处理运动学和动力学约束,设计了新的惩罚算法,以避免在所有约束都不满足的情况下运行逆动力学模型;在运行逆动力学模型进行轨迹优化之前,引入了一种新的虚拟连杆概念来替换所有冗余连杆,以消除物理上不可能的配置;同时在3自由度冗余度机械臂上对所提方法进行了实验验证。结果表明,仿真和实测获得了相同的预期最优轨迹跟踪性能,且轨迹优化后的能耗显著降低了约56.32%,验证了所提轨迹规划优化方法的有效性。     

某型无人倾转旋翼机过渡轨迹设计技术研究

过渡模式是倾转旋翼机全过程自主飞行的关键阶段,亦是最容易发生安全事故的阶段.过渡轨迹是飞行器过渡模式控制律和制导律设计的基础,以某型无人倾转旋翼机为研究对象,分析其气动特性,并根据过渡阶段的升力来源,将整个过渡阶段进行细化;再根据各个阶段的约束条件确定其倾转过渡走廊;依据飞行器的飞行过程以及走廊确定飞行器的过渡轨迹,并...     

实现有速度要求轨迹的凸轮连杆组合机构设计

将B样条理论应用于凸轮连杆组合机构轨迹的设计.使用de Boor算法将B样条轨迹进行离散化.在对凸轮五杆机构进行逆运动学分析的基础上,编制了五杆机构逆运动分析模块.设计了实现带有直线工作段,并且有速度要求的轨迹的凸轮五杆机构.仿真实例结果表明使用B样条曲线设计凸轮五杆机构的轨迹,不仅可以满足生产上要求的直线段和尖点的运动轨迹,同时还可以保证执行端和凸轮的加速度连续.     

并行工程环境下的鲁棒设计

提出了一种基于约束网络的鲁棒设计方法。与传统的统计学鲁棒设计方法不同,该方法能够利用约束网络对并行设计中的一类不确定性参数进行有效的描述和处理。利用基于区间代数的一致性算法,在设计的初期就监控设计过程,使设计者在确定参数前能够通过约束网络定量地考虑下游的约束条件,并能够及早发现设计中的冲突,以避免后期出现大的返工,本文的研究是实现并行工程中“一次成功”的技术基础。     

基于人工免疫-改进粒子群优化算法的机械臂轨迹规划研究

焊接机器人运动轨迹复杂、控制精度要求高。提出了一种满足多目标约束的轨迹规划方法。针对机器人轨迹平滑性要求,以5次非均匀有理B样条（Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS）曲线为基础,对笛卡儿空间路径点进行参数化表达;根据工业机器人路径约束及工况需求,选取时间、能耗、跃度3个运动学指标作为目标优化函数,采用人工免疫双态粒子群进行轨迹优化;为了平衡粒子“探索”与“利用”,增加双模态模型,引入人工免疫系统,提升了粒子多样性与后期收敛能力;根据Pareto解集得到满足约束的焊接机器人各关节最优轨迹,通过Matlab仿真证明了方法的有效性;最后,针对空间相贯曲线焊缝进行了焊接试验。结果显示,规划的轨迹符合实际工程需求。     

Hex-Rotor无人飞行器及其飞行控制系统设计

提出了一种Hex-Rotor无人飞行器以克服现有多旋翼飞行器的欠驱动和强耦合特性对其飞行控制效果的影响,利用6个旋翼独特的结构配置来保证飞行器独立控制空间六自由度的能力。介绍了这种新型飞行器的结构特点并建立其动力学模型,引入滤波反步法与自抗扰算法设计了具有双环并行结构的飞行控制系统,在数字仿真中实现了飞行器的空间六自由度独立控制并克服了未知外部扰动以及模型不确定性带来的影响。结果显示,原型机试飞实验中,飞行器的水平位移跟踪误差不超过±4m,高度误差不超过±3m,姿态角误差不超过±0.05rad,均保持在传感器的测量误差范围内,飞行器较为准确地跟踪了期望指令。仿真和实验结果证明了该新型Hex-Rotor飞行器具有期望的六自由度独立控制能力,建立的数学模型准确,设计的飞行控制系统能够实现轨迹与姿态跟踪飞行。