旋翼飞行机器人研究进展

旋翼飞行机器人是面向空中自主作业需求,将旋翼飞行器与多自由度机械臂相结合所提出的新型机器人.该机器人作业过程中旋翼飞行器、机械臂与作业目标之间的动态相对运动以及与作业目标接触过程中未建模外力、力矩扰动使自主控制受到极大挑战.本文将针对旋翼飞行机器人的结构演变及关键技术、作业机构集成技术进行综述.从动力学建模及动力学特性分析、动态运动约束/力约束下的协调规划、非结构环境下的运动和作业控制、面向任务动态操作的环境感知、面向任务的实验系统构建与实验验证五个方面初步构建了旋翼飞行机器人自主作业理论体系.     

3自由度旋翼飞行机械臂系统动力学建模与预测控制方法

旋翼飞行机械臂(rotorcraft aerial manipulator,RAM)系统是安装在飞行机器人上的可操作型机械臂,悬停模式下执行准确的空中操作时旋翼无人机与所加机械臂之间存在相对扰动,通过分离机械臂与飞行机器人进行动力学建模并不能有效消除这种扰动.本文基于对相互扰动力学作用的分析建立整体动力学模型,并在悬停飞行模式下将其简化为线性控制参考模型.进而对旋翼系统控制延时所引起的动力学扰动进行补偿,同时设计预测控制器来消除末端执行器的位置和姿态误差.最后,在存在内部和外部扰动的情况下,设定销钉插入操作任务进行控制方法的对比仿真.末端执行器位姿偏差的仿真结果表明了模型结构与控制方法的有效性.     

作业型飞行机器人动态滑翔抓取的鲁棒自适应控制

作业型飞行机器人是指将多自由度机械臂固连在飞行机器人上的一类新型机器人系统,它能够对周围环境施加主动影响,同时也存在较为复杂的动力学性能.本文针对作业型飞行机器人滑翔抓取物体时所受到的摩擦力和接触力问题以及在飞行过程中产生的转动惯量变化问题,设计了一种整体式鲁棒自适应控制策略.首先在作业型飞行机器人系统动力学建模中引入...     

具有非线性扰动的广义系统的鲁棒H∞控制

研究具有非线性结构扰动广义系统的鲁棒H∞控制和鲁棒H∞保性能控制问题,该不确定性为时间和状态的函数.且满足Lipschitz条件.目的是分别设计系统的鲁棒H∞控制器和鲁棒H∞保性能控制器.应用线性矩阵不等式方法,分别给出了系统的鲁棒H∞控制器和鲁棒H∞保性能控制器存在的充分条件.当这些条件可解时,分别给出了鲁棒H∞控制器和鲁棒H∞保性能控制器的表达式.最后通过一个仿真算例说明了所给出方法的应用.     

倾转旋翼机平均驻留时间切换鲁棒H∞跟踪控制

针对倾转旋翼飞行器模态转换阶段的飞行控制问题,本文给出了倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统模型和一种基于参考模型的鲁棒跟踪控制方法.为了保证闭环系统在切换过程中稳定并同时满足指定的鲁棒H∞性能指标,利用状态观测器对系统不可观测状态进行估计,结合模型依赖平均驻留时间方法提出了一种倾转旋翼机切换鲁棒H∞跟踪控制方法,通过求解线性矩阵不等式得到控制器增益,并分析了系统的鲁棒稳定性.仿真结果表明,所提出的方法能够使飞行器系统准确跟踪指令,且对于控制器切换具有鲁棒性.     

接触作业型飞行机械臂系统的力/位置混合控制

针对飞行机械臂系统移动接触作业问题,使用了一个力/位置混合控制框架,用以控制飞行器系统持续可靠地接触外部环境同时保持一定大小的接触力,并实现在接触过程中的期望轨迹跟踪.首先将作业空间分成2个子空间--约束空间和自由空间,并分别进行力控制和位置控制.对于力控制问题,证明闭环无人机系统是一个类弹簧-质量-阻尼系统,然后在约束子空间中设计逆动力学控制器来实现接触力控制.自由飞行空间中的运动控制依靠轨迹规划和位置控制器来实现.最后,开发了基于六旋翼飞行机器人的单自由度飞行机械臂系统,在飞行状态下进行接触墙面并跟踪倾斜直线轨迹的实验.结果显示本文所使用方法能够保证在平稳移动的同时控制期望的接触力.     

大包络飞行BTT导弹多模鲁棒控制方法研究

在导弹飞行控制器优化设计的研究中,针对大包络飞行BTT导弹全局H∞鲁棒控制器的设计问题,为了提高系统的稳定性和抗干扰性,将多模型自适应控制方法与传统的控制器增益调度方法相结合,提出一种适合于BTT导弹H∞鲁棒控制器的增益调度方法.针对各子工作区离线设计满足要求的常值参数鲁棒控制器,飞行过程中通过实测的调度参数对各鲁棒控制器输出进行平滑切换,避免引起的参数误差,消减了高阶H∞鲁棒全局控制器参数脆弱性问题的影响.实现对大包络飞行BTT空空导弹姿态稳定性控制,并通过数字仿真验证了方法的有效性.     

一种带有重心调节机构的作业型飞行机器人建模与控制

针对作业型飞行机器人完成抓取、搬运等任务时所产生的重心偏移问题,设计了一种带有重心调节机构的作业型飞行机器人,并提出了一种重心调节控制策略.该方法通过对作业装置中的机械臂进行运动学推导,动态计算出机械臂运动时复合系统重心位置的改变量,利用力矩平衡方程计算得到调节机构所需转动的角度,从而实现对复合系统重心的调节.为验证所提出控制策略的有效性,在Matlab仿真环境中,分别研究了有无重心调节控制时机械臂运动对复合系统重心轨迹和定点悬停位姿的影响.通过户外实物实验测试了飞行机器人搭载负载情况下,调节机构在定点悬停作业时的稳定效果.实验结果表明,在所述控制策略下,重心调节机构能够在飞行机器人作业过程中实时调节复合系统重心的偏移量,验证了控制策略的有效性.     

基于LMI的综合飞行/推进控制系统设计

飞机在飞行时,外界气流总存在不确定的扰动,对飞机的性能甚至稳定性会产生消极的影响。以某型飞机作为研究对象,在建立了综合飞行/推进系统（纵向）小偏离线性化数学模型后,根据H∞鲁棒控制理论所推导出的线性矩阵不等式,设计出干扰情况下的状态反馈控制器。仿真结果表明,所设计出的鲁棒控制器能够到达控制要求,在存在较大干扰时有一定的抑制作用。对于（LMI）线性矩阵不等式的H∞鲁棒控制方法在设计综合飞行/推进鲁棒控制系统时,是可行的,且能较好的解决飞行时存在的扰动问题。     

作业型飞行机器人抓取后重心偏移的轨迹跟踪控制

作业型飞行机器人是指能够对环境施加主动影响的飞行机器人, 它通常由旋翼飞行器与机械臂组合而成. 本文针对作业型飞行机器人在动态飞行抓取后, 重心位置变化产生的系统控制难题, 设计了有效的跟踪控制策略. 首先, 在系统建模时引入重心偏移系统参数和重心偏移控制参数, 并考虑惯性张量不为常数, 提高了系统建模的精度. 然后, 在姿态解算时, 考虑重心偏移对系统性能的影响, 构建包含重心偏移系统参数的解算方法, 得到更高精度的期望翻滚角和期望俯仰角. 接着, 设计了基于滑模控制的重心偏移补偿位置控制器, 实现了有效的位置跟踪控制. 同时, 在姿态反演控制器的基础上, 加入自适应律估计重心偏移控制参数和变化的惯性张量, 再通过小脑神经网络逼近惯性张量的真实值, 提高姿态控制器的精度. 最后, 给出了所设计控制器的稳定性证明, 并在仿真环境下验证了所提出的方法的有效性和优越性.     

四旋翼无人直升机鲁棒飞行控制

讨论了四旋翼无人直升机的飞行控制问题,提出了一种鲁棒控制器设计方法.该控制器由内环姿态控制器和外环位置控制器两部分组成,姿态控制器采用基于信号补偿的鲁棒控制方法,位置控制器由经典的PD控制实现.将该控制器用于实验室自主研制的四旋翼无人直升机系统,实现了室内悬停飞行.实验结果验证了该控制方法的有效性.     

基于误差状态方程的机械臂H_∞最优控制

针对不确定性二自由度机械臂的跟踪控制问题,为了同时保证控制系统的鲁棒稳定和鲁棒性能,提出了基于跟踪误差线性状态方程的H∞最优控制方法。首先建立了二自由度机械臂系统轨迹跟踪误差的状态方程,考虑系统中存在的不确定性和未知扰动,对误差状态推导出基于线性二次型性能指标的鲁棒H∞最优控制律,该控制律不仅保证了控制系统的鲁棒稳定而且使控制系统达到给定性能指标下的鲁棒最优性能。同时证明了闭环系统的渐进稳定性和线性二次型最优。由提出的广义控制力进而得到机械臂的控制力矩,实现鲁棒控制。最后应用simulink对系统进行仿真,仿真结果验证了方法的正确性和有效性。     

基于误差状态方程的机械臂H_∞最优控制北大核心CSCD

针对不确定性二自由度机械臂的跟踪控制问题,为了同时保证控制系统的鲁棒稳定和鲁棒性能,提出了基于跟踪误差线性状态方程的H∞最优控制方法。首先建立了二自由度机械臂系统轨迹跟踪误差的状态方程,考虑系统中存在的不确定性和未知扰动,对误差状态推导出基于线性二次型性能指标的鲁棒H∞最优控制律,该控制律不仅保证了控制系统的鲁棒稳定而且使控制系统达到给定性能指标下的鲁棒最优性能。同时证明了闭环系统的渐进稳定性和线性二次型最优。由提出的广义控制力进而得到机械臂的控制力矩,实现鲁棒控制。最后应用simulink对系统进行仿真,仿真结果验证了方法的正确性和有效性。     

基于区间矩阵的四旋翼无人机鲁棒跟踪控制

针对飞行环境不断变化的四旋翼无人机轨迹跟踪问题,提出了基于区间矩阵的鲁棒跟踪控制策略.首先,将四旋翼无人机非线性动态模型解耦为外环位置控制系统和内环角度控制系统.接着,考虑到飞行环境变化引起的升力系数、中高速飞行下不可忽略的阻力系数等参数的不确定性,引入区间矩阵对内外环系统的系统参数进行描述,并对内外环控制系统设计鲁棒H_∞反馈控制策略来抑制有界外部扰动.然后,根据李雅普诺夫稳定性定理得到了使外环系统指数渐近稳定和内环系统鲁棒渐近稳定且均满足H_∞性能指标的LMI充分条件,同时,给出了控制器增益的求解方法.最后,仿真及实验结果结果验证了所提方法的鲁棒性、优越性和有效性.     

H_∞混合灵敏度方法在大包线飞控系统中的应用

针对现代飞机飞行包线的不断扩展,当前飞控系统设计中一个非常重要的问题就是要实现全包线飞行控制功能。为了获得大包线飞行范围模型参数变化系统良好的操纵品质,在给定飞行包线内选取标称设计点,应用基于H_∞混合灵敏度方法,设计大包线范围内的俯仰角运动的H_∞鲁棒控制器,并选取验证点对设计出的控制器进行验证。仿真结果表明,所设计出来的飞行控制系统在大包线范围内具有良好的鲁棒稳定性,还具有很好的鲁棒性能。     

非线性不确定中立型系统的鲁棒H∞控制

考虑系统外界干扰、系统参数摄动等非线性扰动环节对中立型时滞系统的H∞影响,提出基于Lyapunov稳定性理论的鲁棒H∞控制器的设计思想.利用线性矩阵不等式(LMI)方法,给出了该类具有状态非线性不确定性中立型时滞系统的鲁棒∞控制器的设计实例.在非线性不确定函数满足增益有界的条件下,得到了该类时滞系统满足鲁棒∞性能的一个充分条件.通过求解一个线性矩阵不等式LMI,即可获得鲁棒∞控制器.仿真结果表明了基于Lyapunov稳定性理论,LMI技术设计的控制器克服了系统外界非线性干扰或系统本身非线性参数摄动的影响,实现了闭环系统的H∞性能条件下的渐近稳定,满足了该系统鲁棒H∞控制的要求.     

自治水下机器人深度的鲁棒H∞控制仿真

研究了鲁棒H∞控制在自治水下机器人(AUV)深度控制中的应用.根据刚体空间运动和流体力学理论建立了AUV垂直面运动的数学模型,并在特定的工作点对模型进行了线性化处理得到了AUV垂直面运动的控制设计模型.根据鲁棒H∞控制理论设计了自治水下机器人垂直面运动的深度控制器.仿真结果表明,该控制器在减轻/克服AUV运动模型的不确定性,严重的非线性和外界干扰等方面有明显的效果,具有很好的动态性能,系统的鲁棒性强.     

基于粒子群的H_∞混合灵敏度在飞控系统中的应用

提出了一种基于粒子群优化算法的H∞混合灵敏度控制律设计方法。该方法采用粒子群优化算法来优化加权函数,用H∞混合灵敏度方法设计飞行控制系统鲁棒控制器,满足了系统时域和频域性能要求。以某型飞机横侧向运动为例进行仿真,结果表明,用该方法设计的飞行控制系统具有良好的鲁棒性能和稳态性能,而且具有很好的动态品质。     

基于自适应神经网络的一类不确定非线性系统的鲁棒H∞控制

针对一类不确定非线性多输入时变系统，提出了一种新的鲁棒H∞控制方案．通过引入2个自适应神经网络逼近器，提出了一个简化的Hamilton—Jaeobi—like不等式，并据此设计了非线性H∞控制器和匹配不确定项补偿控制器，消除了输入摄动项和估计器最优逼近误差的有界性假设．机器人系统的鲁棒跟踪控制仿真算例证实了所提出控制方案的有效性．     

航空发动机全飞行包线鲁棒控制器设计研究

对全飞行包线内的发动机控制问题展开研究,分析了包线的划分和标称点的确定问题,提出了根据发动机进口参数的相对变化指标对飞行包线进行划分的方法.同时将二自由度H∞鲁棒控制方法引入航空推进系统的控制器设计中,克服了传统鲁棒控制器无法兼顾系统的性能和鲁棒性要求的缺陷.最后在设计的航空发动机数控系统快速原型化实时仿真平台上进行了仿真,证实了所提出的全包线划分方法的正确性和所设计的增益调度鲁棒控制器在某型航空发动机全包线控制上的良好性能.