平流层飞艇外形的设计优化

平流层飞艇是依靠浮力升空的飞行器.飞艇外形对于平流层飞艇的设计至关重要,为了获得能够满足动力结构和重量等各个学科要求的最优艇形,将综合设计优化技术引入到飞艇外形设计中,提出了适用于优化的飞艇外形生成曲线,分析了与外形有关的气动、结构和重量等因素,建立了飞艇气动阻力、表面积和最小环向应力的模型,构造了复合目标函数,并针对某飞艇外形进行了优化设计.仿真结果证明,利用蒙特卡罗算法优化设计后的艇形优于传统艇形.     

平流层飞艇试验场测试方法分析

针对平流层飞艇试验场测试需求,在分析飞艇关键系统构成的基础上,给出了试验场主要测试内容与方法,建立了试验场测试条件矩阵,给出了试验场测试项目总体流程;建立试验场测试模式,开展试验场测试系统与飞艇系统间接口设计,可为测试系统建设与试验场测试实施提供技术依据。     

基于变结构动态逆控制的平流层飞艇时间最优航迹设计

解决平流层飞艇自主航行的首要问题就是航迹规划。飞艇模型具有高度非线性,因此利用动态逆控制理论,通过非线性反馈和动态补偿实现飞艇非线性系统精确线性化,以方便使用庞特里亚金极小值原理设计飞艇时间最优航迹。同时以动态逆控制作为控制内环,以滑模变结构控制作为控制外环,设计双层结构的变结构动态逆航迹跟踪控制系统,实现对飞艇理想航迹的跟踪。该方法将动态逆控制的非线性解耦能力、变结构控制的鲁棒性能与庞特里亚金极小值原理有机结合,可以用来解决平流层飞艇定点悬停控制、悬停点间机动控制等问题,具有很好的工程实用价值。     

平流层飞艇设备舱的被动温控

研究飞艇平流层温度优化控制问题。由于平流层环境温度较低,平流层飞艇设备舱要进行保温。为解决上述问题,理论分析了以聚苯乙烯泡沫板为保温材料的保温性能,利用Gambit软件进行网格划分、FLUENT软件求解后绘制温度分布剖面图,并采用内蒙古某场站进行飞艇飞行试验,验证设备舱的被动温控效果。同时通过发放探空的方法获取不同情况下的温度数据,对飞艇上升、平飞和下降三个阶段,详细分析不同材料保温效果,并就风速对温度的影响进行仿真,结果得出有益结论。即在选用合适厚度的聚苯乙烯泡沫板作为保温材料时,完全可以达到短时间内的设备舱保温,实现被动温控,为飞艇平流层温控优化提供了依据。     

平流层飞艇多路视频切换器设计

针对平流层飞艇实验阶段的视频监控需求,设计了一种灵活的视频切换器。采用NXP公司的LPC2292/01型基于ARM7内核的处理器,集成了CAN总线控制器,接口电路简单可靠;使用其强大的硬件验收滤波功能,可以滤除不需要的报文信息,软件可靠性高;通过CAN总线传输切换指令,可以实时切换地面操作者关心的视频画面,解决了视频监控需求较多与遥测通信带宽不足的矛盾。经地面测试和飞行试验验证,该系统完全满足平流层飞艇飞行试验的使用需求。     

平流层飞艇螺旋桨设计参数对效率的影响

研究平流层飞艇螺旋桨优化设计问题,由于空气密度较小与飞行速度较慢,平流层飞艇螺旋桨叶素的雷诺数较小,使叶素翼型升阻比较低,导致现有低空使用的飞艇螺旋桨在平流层使用时效率较低.需要对平流层飞艇螺旋桨进行专门设计.传统螺旋桨分析与设计方法需要先选定螺旋桨直径与转速,再分析叶素效率与螺旋桨效率.为解决上述问题,直接采用周向速度(正比于半径与转速之积),改变了平流层飞艇螺旋桨变化的参数,进行综合设计,并进行仿真.结果证明,采用改进的方法可使初始设计参数减少一个,从而使螺旋桨效率得到明显提高.     

平流层飞艇静升力分析

研究飞行器在平流层定点悬停定位问题,平流层飞艇运行环境复杂多变,静升力的确定有一定难度.为保持飞行器飞行到指定高度,采用理论分析方法建立了静升力的数学模型,根据标准大气环境下平流层飞艇总静升力随飞行高度的变化规律,以及实际环境中温度变化对总静升力的影响;分析了净静升力与压差百分比、压力高度处副气囊体积比、温度和飞行高度的变化关系.利用Matlab软件平台进行了仿真分析,结果表明所建立的模型能够准确描述各因素对静升力的影响,从而为平流层飞艇的总体设计提供依据.     

平流层演示验证飞艇可重构控制系统设计

采用加权广义逆方法,设计"致远一号"平流层演示验证飞艇的可重构控制系统,当执行机构发生故障时,不需改变控制律,只需改变操纵效率加权矩阵的权值就可实现快速重构;飞艇配置有混合异类执行机构,各执行机构对飞艇运动存在操纵冗余和驱动耦合;引入间接控制向量,建立执行机构故障类型与操纵效率加权矩阵取值对照表,解决飞艇非线性操纵的控制分配与重构问题。给出系统正常和故障情况下,高度和偏航角跟踪仿真试验。结果表明,系统正常时,各执行机构复合控制飞艇,响应时间最短,实现混合异类执行机构配置下的优化控制分配;当其中一个执行机构故障时,系统仍能实现期望的动态性能,实现快速重构。     

水下航行器轨迹跟踪控制与仿真

为了使水下航行器按照预定的轨迹运动,需要水下航行器的控制系统具有较强的鲁棒性和抗干扰能力,因此该文提出了采用横向轨迹误差法和视线法组合导引的基于滑模的水平面轨迹控制方案,针对“211AUV”自治式水下航行器,给出了简化的水下航行器水平面运动模型,分别给出横向轨迹误差法和视线法的滑模控制方程。并分别对横向轨迹误差法、视线法以及横向轨迹误差法和视线法组合导引法三种方法进行仿真分析,最终的仿真结果表明横向轨迹误差法无法单独完成轨迹导引,视线法的轨迹跟踪误差较大,而横向轨迹误差法和视线法组合导引法具有良好的轨迹跟踪能力,能够保证水下航行器进行各种循迹航行任务。     

机器人轨迹跟踪自适应控制

本文提出一种新的自适应控制算法,用于补偿机器人动力学方程中的非线性项和消除关节间的耦合。这种简单有效的控制算法,保证了系统在一定的参数变化范围内具有渐近稳定性和良好的控制精度。     

平流层卫星建模与基于分级模型的轨道控制

为实现平流层卫星在平流层大气环流作用下环某一纬度飞行,需对平流层卫星经度方向轨迹进行控制.根据Lagrange方程建立了其六自由度的动力学模型,在基于模型的直接输入输出反馈线性化无法实现的情况下,按"舵控制帆、帆控制绳和绳控制球"的工作原理将系统分为3个级联子系统,并对3个子系统分别设计控制器来实现"舵控制球"的轨迹控制.仿真结果表明所设计的控制器性能良好.     

基于IBC-PID控制的四旋翼轨迹跟踪控制

针对四旋翼飞行器在阵风扰动下的轨迹跟踪控制问题,提出一种结合积分反步法控制与PID控制的混合控制算法.首先,分析了四旋翼飞行器的受力情况,并采用牛顿 欧拉法建立其动力学方程;其次,根据时间尺度原理,将四旋翼飞行器的控制结构分成位置控制回路与姿态控制回路,前者采用积分反步法进行抗干扰控制,后者采用PID控制进行镇定;同时,引入粒子群算法,利用其寻优优势对所设计的控制器参数进行调整;最后,通过一个螺旋线跟踪仿真对本文所提控制算法的有效性进行了验证.仿真结果表明,本文所提算法具有一定的鲁棒性、稳定性与适用性,能够满足四旋翼轨迹跟踪控制的需求.     

Error-constrained path-following control for a stratospheric airship with actuator saturation and disturbances

This paper is concerned with the path-following control problem for an under-actuated stratospheric airship with error constraint, actuator saturation, and external disturbances. To address the tracking error-constrained requirements of airship position and attitude, novel tan-type barrier Lyapunov functions are proposed and incorporated with the guidance and attitude control schemes, which calculate the desired attitude and angular velocity. An auxiliary design system in the form of anti-windup compensator is employed to deal with actuator saturation, and the stability of the saturated control solution is verified. Nonlinear disturbance observer is developed to estimate the unknown external disturbances. Rigorous stability analysis shows that the constrained requirements on the airship position and attitude will not be violated under the proposed control method and all closed-loop signals are uniformly ultimately bounded, despite the presence of actuator saturation and disturbances. Simulation results and comparisons illustrate the effectiveness of the proposed controller.     

共轴式无人直升机建模与鲁棒跟踪控制

针对共轴式无人直升机非线性、强耦合的动力学特性,本文提出了一种基于动态反馈线性化方法的鲁棒跟踪控制策略.首先根据叶素理论、Pitt-Peters动态入流模型、上下旋翼气动干扰分析建立了共轴式无人直升机的数学模型.然后对于高度-姿态子系统,通过扩展状态变量对其进行了动态反馈线性化,分析了零动态特性.根据内环期望跟踪特性对解耦后的子系统进行极点配置.通过设计鲁棒补偿器实现了对高度与姿态指令的鲁棒跟踪.在此基础上,针对水平面内的位置子系统设计了外环比例微分(proportional-derivative,PD)控制器以实现位置跟踪.最后,通过内环跟踪仿真验证了反馈线性化方法良好的解耦特性,通过干扰条件下的轨迹跟踪仿真验证了所设计控制器具有较好的控制性能与鲁棒性.     

Finite-time path following control for a stratospheric airship with input saturation and error constraint

This paper addresses the finite-time path following control problem for an under-actuated stratospheric airship with input saturation, error constraint, and external disturbances. To handle the adverse effect of input saturation, anti-windup compensators are employed and finite-time convergence of the saturated control solution is established. Error constraints of airship position and attitude are handled by incorporating a tan-type barrier Lyapunov function (TBLF) in guidance and attitude control schemes. Backstepping design is presented with the anti-windup compensators, the TBLF, and nonlinear disturbance observers which estimate the external disturbances. Stability analysis shows that the tracking errors of the airship position converge into a small set around zero within finite-time, the constrained requirements on the airship position and attitude are not violated during operation, and all closed-loop signals are guaranteed to be uniformly ultimately bounded. Compared with the conventional control scheme, simulation results illustrate that the proposed finite-time controller offers a faster convergence rate and a higher path following accuracy for the stratospheric airship.     

三轮驱动移动机器人轨迹跟踪控制

针对三轮驱动移动机器人在轨迹跟踪控制过程中运动不平滑的问题,建立了移动机器人在一定运动约束条件下的运动学模型。根据移动机器人位姿误差微分方程的描述,设计了基于后退时变状态反馈方法的移动机器人轨迹跟踪控制器。基于李雅普诺夫方法,对轨迹跟踪控制器的稳定性进行了分析,证明了该控制器能够保证闭环系统全局一致渐进稳定。仿真结果验证了运动学模型的正确性,以及轨迹跟踪控制器的有效性。     

基于三步法的机械臂轨迹跟踪控制

考虑机械臂末端轨迹跟踪控制问题,以跟踪逆运动学求解出的末端期望轨迹对应的各关节期望角度为控制目标.设计了一种基于三步法的控制器,该控制器由类稳态控制、可变参考前馈控制和误差反馈控制3部分组成.证明了该控制器可以通过控制机械臂的各关节力矩实现各关节实际角度对期望角度的状态跟踪,进而使得末端轨迹渐近跟踪期望轨迹,并且跟踪误差是输入到状态稳定的.仿真表明基于三步法控制器的空间机械臂末端可以渐近跟踪期望轨迹,并且该算法可以克服系统的末端负载质量变化等不确定性的影响.     

力矩输入有界的柔性关节机器人轨迹跟踪控制

为解决柔性关节机器人在关节驱动力矩输出受限情况下的轨迹跟踪控制问题,提出一种基于奇异摄动理论的有界控制器.首先,利用奇异摄动理论将柔性关节机器人动力学模型解耦成快、慢两个子系统.然后,引入一类平滑饱和函数和径向基函数神经网络非线性逼近手段,依据反步策略设计了针对慢子系统的有界控制器.在快子系统的有界控制器设计中,通过关节弹性力矩跟踪误差的滤波处理加速系统的收敛.同时,在快、慢子系统控制器中均采用模糊逻辑实现控制参数的在线动态自调整.此外,结合李雅普诺夫稳定理论给出了严格的系统稳定性证明.最后,通过仿真对比实验验证了所提出控制方法的有效性和优越性.     

Trajectory tracking control for robot manipulators using only position measurements

In the paper, the trajectory tracking control problem is investigated for robotic manipulators which are not equipped with the tachometers. Our contribution consists in establishing uniform asymptotic stability in closed-loop system by using the dynamic position-feedback controller with feedforward. Using Lyapunov vector function and comparison principle, we construct the non-linear controller with variable gain matrices and first-order linear dynamic compensator such that the origin of the closed-loop system is uniformly asymptotically stable. The controller is shown to be robust with respect to parameters incertainties. We illustrate the utility of our result by simulation tests with reference to a two-link planar elbow robot manipulator.     

基于函数滑模控制器的机械手轨迹跟踪控制

提出一种基于函数滑模控制器(FSMC)的控制策略,用于不确定机械手的轨迹跟踪控制。首先,由动力学模型和滑模函数得到系统的不确定项;然后,利用RBF神经网络逼近系统不确定项,由于神经网络逼近存在误差,而且在初始阶段误差较大,设计函数滑模控制器和鲁棒补偿项对神经网络逼近误差进行补偿,以克服普通滑模控制器容易引起的抖振问题,同时提高系统的跟踪控制性能。基于李亚普诺夫理论证明了闭环系统的全局稳定性,仿真实验也验证了方法的有效性。