轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究

针对轮式移动机器人参数摄动和内外部扰动等问题,提出一种新型的基于自适应扩张状态观测器的滑模控制算法。采用自适应虚拟速度控制器估计系统未知参数,滑模控制器抑制参数摄动和内外部扰动,非线性扩张状态观测器观测系统扰动并减小控制输入的抖振,实现了轨迹跟踪误差的快速收敛。利用Lyapunov稳定性理论证明了控制算法的稳定收敛性。将所提算法与传统自适应反演滑模算法进行对比,对比结果表明了所提算法的有效性和鲁棒性。     

四旋翼无人机抗干扰轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪过程中存在的参数不确定与外界干扰问题,设计一种双闭环自适应控制策略.为了降低控制器设计复杂度,根据四旋翼无人机系统的欠驱动特性将系统分成姿态内环和位置外环.在扰动观测器的基础上,利用积分型反步控制算法完成无人机位置信息在外界干扰下的稳定跟踪控制.在扰动观测器的基础上,利用自适应滑模控制算法完成无...     

四旋翼无人机轨迹跟踪的容错控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪的容错控制问题,提出了一个鲁棒[H∞]控制和干扰观测器与故障估计器相结合的容错复合控制器的方法。在外部有界扰动和加性故障的条件下,实现对四旋翼无人机的轨迹跟踪。将四旋翼无人机非线性动态模型解耦成独立的外环位置控制系统和内环角度控制系统,引入区间矩阵对系统参数进行描述,使用干扰观测器和故障估计器进行干扰和故障的估计和补偿。然后设计一个复合控制器既能更好地抑制干扰又能保证无人机在自身存在故障的情况下平稳飞行。通过仿真证明该方法的有效性。     

基于固定时间扰动观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对六自由度小型四旋翼无人机在轨迹跟踪控制过程中,单一控制器构成的控制系统存在外部未知干扰,系统的鲁棒性以及轨迹跟踪精度容易产生较大的波动问题,该文章提出了一种基于固定时间扰动观测器的全闭环控制方案,即针对位置与姿态的双闭环控制;首先利用固定时间理论设计了两个扰动观测器,在固定时间内对扰动做出估计并进行补偿;在此观测器对扰动值的精确估计基础之上,设计了两个具有扰动补偿能力的非线性跟踪控制器;李雅普诺夫稳定性理论证明了所述方法的有效性;仿真实验中,为对比所述控制方法的有效性,同时采用传统单一控制器构成的无人机控制系统进行对比分析;在无人机质量为m=1.44 kg、环境重力加速度为g=9.8 m/s2以及其他模型参数一致的前提下,进行大量的仿真实验验证了所提出的基于固定时间扰动观测器的扰动补偿控制系统,能够保证小型四旋翼无人机六自由度受到复杂外部干扰时准确估计出外部干扰值,并实现无人机进行高精度轨迹跟踪控制,且轨迹跟踪精度与抗扰性能皆优于传统单一控制器构成的无人机控制系统.     

固定翼无人机的自抗扰反步控制

针对固定翼无人机姿态和速度控制中系统存在模型不确定性和外界扰动的情况,本文设计了基于扩张状态观测器的反步控制器抑制系统扰动以提高无人机的控制性能.首先建立无人机速度误差模型和姿态误差模型,其中姿态误差模型采用四元数作为变量以避免欧拉角在描述姿态时存在的奇点问题和复杂三角运算;进而设计扩张状态观测器对系统中存在的扰动进行估计,并将扰动估计值与控制器设计相结合,分别设计出姿态控制器和速度控制器来抑制扰动的影响且使无人机姿态和速度收敛到期望值.最后基于李雅普诺夫理论证明系统的稳定性.仿真结果表明,本文所设计方法能够抑制系统中存在的扰动.     

四旋翼飞行器的轨迹跟踪抗干扰控制

针对四旋翼飞行器轨迹跟踪问题中系统存在模型不确定和易受到外界扰动的情况,提出了基于切换函数的扩张状态观测器设计方法来对系统中的扰动进行估计,并将估计值与滑模控制器的设计相结合,实现了对系统中非匹配不确定性和匹配不确定性的抑制且实现了系统跟踪误差的一致最终有界.首先,根据变量间的耦合关系将飞行器系统模型分解为两个子系统模型,设计扩张状态观测器对子系统中的非匹配不确定性进行估计,并将估计值作为变量加入到切换函数的设计中;进而基于切换函数设计扩张状态观测器以估计经切换函数重构系统中的扰动,并在控制器中对扰动进行补偿.最后通过李雅普诺夫理论证明了控制系统的稳定性.通过仿真验证了本文提出的方法能够有效实现飞行器轨迹跟踪控制且能够抑止传统滑模控制的抖振现象.     

轮式移动机器人的位置量测输出反馈轨迹跟踪控制

针对机器人的姿态角难以精确测量的困难,本文研究基于位置测量的轮式移动机器人的轨迹跟踪问题.首先提出一种利用机器人的位置信息估计其姿态角的降维状态观测器,当机器人的线速度严格大于零时,可保证姿态角观测误差的指数收敛.然后给出一种新的状态反馈轨迹跟踪控制律,当参考轨迹满足一定的激励条件时,可以保证机器人的线速度严格大于零且跟踪误差全局渐近收敛.进一步结合姿态角观测器和状态反馈控制律,得到一种输出反馈轨迹跟踪控制算法.理论分析表明,当参考轨迹满足一定的激励条件时,所提出的输出反馈控制算法可以保证跟踪误差的全局渐近收敛.最后对所提出的姿态角观测器、状态反馈和输出反馈轨迹跟踪控制算法进行了仿真验证,证实了算法的有效性,并且当存在位置测量误差时,所提出的输出反馈轨迹跟踪控制算法仍可以保证机器人对参考轨迹的实际跟踪.     

基于无人机的行人移动轨迹跟踪方法研究

由于现有行人估计移动轨迹跟踪方法难以对行人坐标位置进行准确定位,导致轨迹跟踪结果误差较大,因此提出基于无人机的行人移动轨迹跟踪方法。建立小型无人机模型,针对小型无人机搭载的陀螺仪以及地磁极等传感器存在的定性误差,结合迭代学习控制算法建立无人机姿态和高度控制器,精准定位行人移动轨迹,通过控制器完成行人移动轨迹跟踪。仿真实验结果表明,所提方法能够精准检测行人数量,同时还能够有效提升行人移动轨迹跟踪结果可信度和无人机控制率。     

基于扩张状态观测器的四旋翼无人机快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制

针对受多源干扰影响的四旋翼无人机系统的轨迹跟踪控制问题进行研究,充分考虑位置回路和姿态回路动态特性,提出一种全回路复合快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制方案.首先,通过变换将轨迹跟踪问题转化为位置回路和姿态回路的指令跟踪控制问题;然后,将各通道之间的耦合以及多源干扰影响视作集总干扰,并基于扩张状态观测器对其进行估计;接着,基于干扰估计信息和快速非奇异终端滑模控制算法,分别在位置回路和姿态回路构造复合快速非奇异终端滑模控制器;最后,基于位置回路和姿态回路虚拟控制量解得无人机真实控制量旋翼转速.仿真结果表明,所提出控制方案显著提升了四旋翼无人机轨迹跟踪的响应速度和抗干扰性能.     

面向空地协同的旋翼无人机动平台自主降落最优轨迹生成

旋翼无人机在移动平台上快速自主降落能够提升空地机器人的任务适应性和作业灵活性,对提高任务响应速度和增强救援能力具有重要意义。为了使旋翼无人机在最短时间内安全降落到移动平台,本文提出了一种最优升力分解轨迹生成方法,旨在在升力有限的情况下,最大化旋翼无人机的飞行性能。该方法首先对旋翼无人机的有限升力进行分解,获得最优的3轴升力分配,然后将非线性加速度约束转化为动态线性约束,最后根据最优控制理论求解出最优飞行时间轨迹。仿真结果表明了本文提出的算法能够保证轨迹生成的准确性和稳定性,并且该算法的计算效率高,能够满足系统实际应用中的实时性要求。     

四旋翼无人机参数预测和抗扰动自适应轨迹跟踪控制

为了降低外界环境对四旋翼无人机飞行轨迹的扰动性,提高无人机的控制精度,提出1种基于滑模控制的四旋翼无人机参数预测和抗扰动的自适应轨迹跟踪控制器。这种控制器对四旋翼无人机系统的不确定状态参数、气流、风阻和执行器故障等外界扰动进行预测,实现了对系统输入的状态补偿和扰动补偿,提高了无人机的轨迹跟踪效率和抗扰动能力,消除了机体在飞行过程中的抖振现象,提高了无人机系统对环境的适应性和控制器的稳定性。通过仿真实验,分析了四旋翼无人机在不同控制器作用下的轨迹跟踪性能曲线,验证了所提出的控制器的优越性和有效性。     

基于分数阶滑模控制的无人机轨迹跟踪控制器设计

四旋翼无人机在农业、工业和国防等领域广泛应用,但其复杂的系统特性和对扰动的敏感性使得控制变得困难。首先,考虑分数阶方法具有良好的鲁棒性以及调节灵活性的优点,将整数阶积分滑模面和改进的分数阶指数趋近律相结合,设计出了一种新的分数阶积分滑模控制器。然后,将所设计的分数阶积分滑模控制器应用于四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题。仿真结果表明,所提控制器作用下的四旋翼无人机进行轨迹跟踪时响应速度快、无超调,且对外界干扰具有较强的鲁棒性。     

四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统

为了便于对四旋翼无人机控制算法进行实验仿真和验证,联合Solidworks和Matlab/SimMechanics工具箱设计了一种四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统;利用Solidworks搭建了四旋翼无人机三维实体模型,并通过Solidworks和Matlab转换接口将该实体模型导入到Matlab/SimMechanics中;Matlab/SimMechanics提供了了三维可视化窗口,可以显示无人机的实时仿真状态;仿真平台在Matlab/SimMechanics环境中实现,与Matlab/Simulink通信方便,可方便的将Simulink设计好的控制算法添加到仿真系统中,以进行验证和参数整定,还具有姿态分析和数据分析等功能;轨迹跟踪仿真结果表明,四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统直观可视,准确可靠,能较好地对控制算法进行研究和测试,对四旋翼无人机以及控制算法的研究和开发具有重要价值。     

基于滑模控制的机械臂轨迹跟踪控制

针对多自由度机械臂轨迹跟踪存在的外部干扰和系统抖振问题,设计了一种干扰观测器结合滑模控制的轨迹跟踪方法.针对干扰问题,采用干扰观测器对系统的外部干扰进行观测;针对控制系统存在的抖振问题,设计滑模控制器进行补偿.采用二自由度机械臂为控制对象进行仿真实验,结果表明,该方法能有效克服外部扰动的同时,有效地削弱了系统抖振,提高...     

风扰动下固定翼无人机指令滤波反步着陆控制北大核心

针对存在模型不确定性及风干扰时的固定翼无人机纵向着陆控制问题,提出一种基于有限时间扩张状态观测器的指令滤波反步控制方案。首先建立了风干扰下的无人机动力学模型。然后将无人机的高度和空速分开控制,利用反步法求取控制信号,并设计有限时间扩张状态观测器对复合干扰进行估计;同时,引入指令滤波器以避免传统反步法中的“微分爆炸”问题。最后通过Lyapunov理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明,所提出的控制方案能够实现对空速指令及高度指令的稳定跟踪,对模型不确定性及风干扰具有较好的鲁棒性。     

基于观测器的全方位平台滑模轨迹跟踪控制

以Mecanum轮型全方位移动平台为对象,建立运动学和动力学模型,研究机器人的观测目标优化控制问题.针对全方位轮特有的滑移和平台的重心偏移等不确定和非线性因素对运动的影响,采用多体动力学软件RecurDyn,构建了包含各种非线性因素的虚拟样机模型.提出采用等效控制的滑模控制器,通过非线性扩张状态观测器,可以实现对系统不确定项和干扰的估计,有效地降低了切换增益.引入双曲正切函数代替符号函数,消除了输出抖振.通过仿真分析,取得了良好的轨迹跟踪效果,表明该方法是有效和可行的.     

状态受限的小型无人直升机轨迹跟踪控制

无人直升机模型阶数比较高,设计常规反步控制器面临繁琐的对虚拟控制输入信号求导过程.针对此问题,设计了一种基于滤波器的反步控制方法.该方法通过滤波器而非直接解析地对虚拟控制量进行求导,从而显著简化了反步控制律的计算过程.在滤波器设计过程中,通过限制中间虚拟控制信号的幅值,变化速率以及带宽,以满足系统对状态变量及控制输入信号的约束要求.李雅普诺夫稳定性分析证明了直升机补偿跟踪误差全局指数稳定.仿真研究验证了该方法的有效性.     

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。     

基于扩张状态观测器和反步滑模法的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

为了解决欠驱动四旋翼无人机（UAV）在实际飞行中存在的外界干扰问题,同时提高在系统参数摄动情况下的精确轨迹跟踪效果,设计了一种基于扩张状态观测器（ESO）和积分型反步滑模算法的飞行控制策略。首先,根据系统的半耦合特性和严反馈结构特点,采用反步法设计姿态内环和位置外环控制器;然后,将抗干扰能力较强的滑模控制融入其中,使得系统的鲁棒性得到增强;接着,为了减小系统的稳态误差,引入积分环节;最后,利用ESO实时估算出系统的内、外总扰动并对控制量进行补偿。通过Lyapunov稳定判据,可以说明该系统是一个全局渐进稳定的系统,并通过仿真分析验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

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。