主-从自治海上航行器有限时间同步运动控制

研究主-从自治海上航行器有限时间同步运动问题,提出一种可实现主-从自治海上航行器的位置、姿态、线速度、角速度、线加速度和角加速度等运动状态有限时间同步的连续状态反馈控制方法.首先,通过建立主、从自治海上航行器的动力学模型,给出了主-从同步运动控制方案;然后,采用齐次系统有限时间稳定性理论,为从自治海上航行器设计了一种连续状态反馈控制器,以及在该控制器下实现主-从自治海上航行器有限时间同步运动的充分性判据,并通过实例仿真进行了验证.     

基于有限时间系统同步的自治水下航行器回收控制

基于主-从系统状态同步的思想,提出了母艇在平面运动中回收自治水下航行器（Autonomous underwater vehicle,AUV）的一种控制方法. 在给出母艇和自治水下航行器的动力学模型基础上,建立了自治水下航行器（从系统）接收母艇（主系统）的状态信息并控制自身接近母艇的主从控制方案,使母艇自主回收水下航行器的问题转化为两者的运动状态同步问题. 利用有限时间稳定性理论,设计了一种在常值海流扰动影响下,自治水下航行器能够在有限时间内被母艇回收的滑模控制器,理论证明和仿真实例证实了该控制器的有效性.     

无刷直流电动机系统的有限时间同步

有限时间同步能够确保两个系统在有限的时间内实现同步,具有重要的研究意义.但常见的控制器往往只能确保两个系统渐近同步,而能够实现有限时间同步的控制器目前尚不多见,且存在控制器复杂,不连续易产生抖振现象等缺陷.为此,本文设计了一种简单连续的有限时间同步控制器,实现了主–从无刷直流电动机系统(the brushless DC motor system,BLDCM)的有限时间同步.首先建立了基于该控制器的主–从有限时间同步框架.然后,从理论上证明了两个相同的BLDCM系统有限时间同步的充分性同步判据.最后,通过数值实例验证了所得判据的有效性.     

基于有限时间观测器的离散系统混沌同步

本文基于驱动-响应模型针对一类离散时间混沌系统提出了一种基于有限时间观测器的同步方法.首先,将混沌系统写成具有未知输入的线性系统形式.随后,给出了观测器匹配条件和强可观条件.在观测器匹配条件的假设下,通过适当的状态变换,给出了具有降维形式的有限时间观测器设计框架使得该观测器不再受到未知输入的影响.然后,证明了强可观条件结合观测器匹配条件可以保证一个有限时间观测器的存在,该观测器可以使得响应系统达到对驱动系统的精确同步,且达到同步所需要的时间可以任意设定,不受观测器系统矩阵极点配置和初值条件的影响.最后,给出了两个混沌系统的例子验证了所提方法的有效性.     

考虑通信延迟的多自治水下航行器协同定位算法

自治水下航行器(AUV)协同定位中通信延迟具有常态性. 面对延迟到达的信息, 传统方法一般会有定位精 度或实时性的损失. 针对通信延迟的不利影响, 本文在建立水声探测和通信时延模型的基础上, 以扩展卡尔曼滤波 (EKF)为算法框架, 提出了信息顺序到达和信息出序到达2种协同定位算法, 并以建构面向信息出序情景的算法为 主要创新工作. 在信息顺序到达算法中, 将延迟信息进行序贯处理以减小定位误差. 在信息出序到达算法中, 以信 息出现一步滞后的延迟为背景, 使用出序信息直接对从AUV最新状态估计进行再更新, 信息无损地实时估计运动 状态. 计算机仿真实验结果表明, 本文算法相比于传统的航位推算、整周期滤波、量测丢弃等方法, 具有更高的估计 精度; 相比于数据缓存滤波、重新滤波等方法, 具有强实时性.     

基于有限时间观测器的混沌系统同步

根据有限时间稳定的定义,对混沌系统引入了有限时间观测器的概念,采用有限时间观测器实现混沌系统的同步,保证在给定的有限时间区间内,观测器状态与被观测系统的状态误差被限制在一个给定界内,从而达到观测系统状态的目的。利用线性矩阵不等式的方法,将观测器存在条件转化为求解系统的线性矩阵不等式。讨论了混沌系统同步的有限时间观测器的存在条件,并给出了观测器的具体设计。通过对Duffing-Holmes系统的同步仿真,验证了该方法的有效性。     

时变耦合复杂网络的有限时间广义外部同步

研究了两个具有时变耦合矩阵的复杂动态网络的有限时间广义外部同步的问题。设计了有限时间控制器, 使两个网络能在有限时间内实现外部同步。利用微分方程的有限时间稳定性理论,得到了复杂网络实现有限时间外部同步的充分条件。为了验证所提方案的有效性,给出了仿真算例,算例验证了有限时间广义外部同步方案的有效性。     

异步跳变惯性神经网络的有限时间同步

针对一类由时滞惯性神经网络组成的马尔可夫异步跳变驱动-响应系统,研究了其在有限时间区间上的同步问题.首先,为了解决推导同步准则过程中的困难,设计了一个非连续的针对闭环系统的控制器;然后,基于李雅普诺夫理论,提出了一些新的李雅普诺夫泛函,并结合反凸组合方法和自由权矩阵方法,对李雅普诺夫泛函的导数进行了合理且有效地放缩;最...     

基于两步控制策略的混沌系统全局有限时间同步

本文研究了无刷直流电机(brushless direct current motor,BLDCM)混沌系统的全局有限时间同步问题.利用混沌吸引子的有界性,提出了两步控制策略.首先不施加控制,让主–从混沌系统各自的轨迹收敛到各自的吸引子中,并估计了吸引子的界和收敛时间;再对收敛到吸引子的从系统施加状态误差反馈控制,根据有限时间稳定性理论,得出该控制器在满足一定条件时,两个相同的混沌系统可以快速达到有限时间同步.这种方法在主从系统的初始值相差很大的情况下可以大大减少控制成本,并且可以并估计同步时间.文章最后用仿真结果验证了所得判据的可行性和有效性.     

非均匀气隙永磁同步电机的有限时间混沌同步

针对非均匀气隙永磁同步电机(PMSM)混沌系统,提出一种改进的主动有限时间同步控制器.该控制器首先利用主动控制来实现动态误差系统非线性项和线性项的近似解耦,再通过有限时间稳定控制来实现驱动系统和相应系统的有限时间同步.通过仿真实验,验证了该控制器比传统的控制器具有更强的鲁棒性和快速响应能力.     

自主水下航行器的回坞导引和入坞控制算法

针对军事侦察和海洋环境监测领域中对自主水下航行器（AUV）水下自主回收能力的需求,研究了AUV自主回收过程中回坞和入坞的导引和控制问题。将水下自主回收过程分为回坞导引和入坞控制两个连续的阶段,其中回坞阶段采用经典的视线（LOS）导引法,使AUV到达回收器正前方的回坞航路点;入坞阶段则采用非线性横向跟踪控制方法,使AUV精确跟踪沿回收器中轴线的入坞直线航路航行并最终进入回收器。采用REMUS AUV的模型参数对水下回收进行了仿真研究,结果表明该方法是有效的,具有良好的工程应用前景。     

Synchronization of multiple autonomous underwater vehicles without velocity measurements

In this paper,we investigate the synchronization control of multiple autonomous underwater vehicles (AUVs),considering both state feedback and output feedback cases.Treating multiple AUVs as a graph,we define the tracking error of each AUV with both its own tracking error and the relative position errors with respect to its neighbors taken into account.Lyapunov analysis is used to derive the control law for each AUV.For the output feedback case,a passive filter is used to compensate for the unknown relative velocity errors among AUVs,and an observer is employed to estimate the velocity of the AUV itself.Rigid mathematical proof is provided for the proposed algorithms for both state feedback and output feedback cases.Simulations are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.It is shown that,the synchronization error is smaller in the case of considering the relative errors between AUVs than in the case of considering the tracking error of the single AUV only.     

基于有限时间对偶神经网络的冗余机械臂重复运动规划

在考虑关节物理极限的情况下,将冗余机械臂的逆运动学解析问题抽象为带约束的重复运动规划(RMP)方案.针对速度层的带约束RMP方案,本文提出了一种新型的递归神经网络,即有限时间对偶神经网络(FTDNN),用以求解该类带约束RMP方案.相比于传统的递归神经网络,该FTDNN模型具有有限时间收敛特性,不仅能够改进收敛的速度,并且能够获得较高的收敛精度.通过李雅普诺夫稳定性定理验证了FTDNN模型的渐近稳定性,并进一步计算出FTDNN模型求解带约束RMP方案最优解的时间上界.基于冗余机械臂PA10的计算仿真结果验证了FTDNN模型求解带约束RMP方案的有效性和可行性.最后在Dobot Magician实物机械臂上的实验结果表明本文提出的有限时间对偶神经网络方法可以有效实现机械臂各关节角的重复运动.     

Experimental tests of autonomous ground vehicles with preview

This paper describes the design and experimental tests of a path planning and reference tracking algorithm for autonomous ground vehicles. The ground vehicles under consideration are equipped with forward looking sensors that provide a preview capability over a certain horizon. A two-level control framework is proposed for real-time implementation of the model predictive control(MPC)algorithm, where the high-level performs on-line optimization to generate the best possible local reference respect to various constraints and the low-level commands the vehicle to follow realistic trajectories generated by the high-level controller. The proposed control scheme is implemented on an indoor testbed through networks with satisfactory performance.     

欠驱动水下机器人三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制

本文研究了具有不确定动态和未知时变海洋环境扰动的欠驱动水下机器人(AUVs)三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制问题,提出新型预设性能函数和误差映射函数,将受预设性能限制的轨迹跟踪误差转变为非受限的变换后误差;构造新的超螺旋(ST)扩张状态观测器,在有限时间内实时估计AUV不确定动态和未知时变海洋环境扰动引起的总扰动;基于...     

基于卡尔曼滤波的自主式水下航行器大尺度编队控制

针对网络环境下环境噪声对自主式水下航行器编队控制的影响,提出一种利用卡尔曼滤波实时估计AUV最优运动状态的编队控制方法.将空间间隔较远的多AUV系统建模为多智能体系统,从大尺度上研究其编队控制问题.为了得到每个AUV速度状态的最优估计值,每个AUV都嵌入一个全局卡尔曼滤波器,利用该全局滤波器进行最优估计从而计算出噪声环境下其自身的最优位置.仿真结果验证了所给出的控制策略的有效性.     

生物启发神经动力学模型的自治水下机器人反步跟踪控制

本文提出一种生物启发神经动力学模型的自治水下机器人(autonomous underwater vehicles,AUV)三维轨迹跟踪控制算法.将AUV在三维空间的运动分为水平面运动和垂直面运动,针对传统反步轨迹跟踪控制器出现的速度跳变问题,采用生物启发神经动力学模型,通过构造一种简单的中间虚拟变量,同时结合Lyapunov函数设计出轨迹跟踪控制律,使其控制效果在水平面和垂直面都能够达到全局渐近稳定并且有平滑连续的输出结果,克服AUV反步轨迹跟踪控制的速度跳变问题.仿真结果证明了所提控制律的有效性.     

采用一致性算法与虚拟结构的多自主水下航行器编队控制

采用一致性算法与虚拟结构法研究了多自主水下航行器(AUV)小尺度编队控制问题.首先针对各自主水下航行器拥有不同虚拟领航者信息(参考信息)的情况,通过对各AUV拥有的不一致参考信息进行一致性协商而达到状态一致.其次,基于虚拟结构思想采用坐标变换将各AUV相对于虚拟领航者的相对位置转换为各自的期望位置,并设计了一种有限时间跟踪控制律以确保各AUV能在有限时间内跟踪上其期望轨迹,从而实现了多AUV的小尺度有限时间编队控制.最后仿真实验验证了控制策略的有效性.