欠驱动飞艇平面路径跟踪控制

针对欠驱动飞艇模型,提出一种基于制导向量场的平面路径跟踪控制方法.首先,基于牛顿-欧拉方程建立欠驱动飞艇动力学模型;然后,基于向量场理论构造制导向量场以获得期望偏航角,结合反步法设计路径跟踪控制律,并通过稳定性分析证明所设计的控制律能够使路径跟踪误差收敛到零而且闭环系统状态有界;最后,通过仿真对比了所提出方法与已有方法的控制效果,仿真结果验证了所提出方法的有效性和优越性.     

基于反馈增益反步法欠驱动无人水下航行器三维路径跟踪控制

针对欠驱动无人水下航行器的三维空间路径跟踪控制问题.基于虚拟向导建立载体坐标系下的三维路径跟踪运动学误差模型,首先设计跟踪误差反馈增益形式的线性控制项镇定位置跟踪系统,避免计算虚拟控制量导数的复杂形式;然后基于反步法设计动力学控制器,通过合理的选择控制器参数消除了部分非线性项,简化了虚拟控制量的形式,同时避免了采用传统反步法设计控制器时存在的奇异值问题,基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒反馈补偿项,保证了闭环跟踪误差系统状态的一致最终有界.仿真实验表明本文设计控制器能够精确跟踪三维曲线路径,并对外界干扰具有较好的鲁棒性.     

基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器 (Autonomous underwater vehicle, AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型, 采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数, 避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程, 同时滤除了高频测量噪声, 增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路, 保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项, 保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性, 能够实现对三维路径的精确跟踪.     

基于反步法的欠驱动UUV的3维路径跟踪控制

研究了欠驱动无人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)在3维空间中的路径跟踪控制器设计及其稳定性分析问题.首先建立2阶积分器形式的欠驱动UUV空间6自由度运动模型和动力学模型.针对该运动模型,以位置误差作为虚拟控制变量,基于反步法(backstepping)设计路径跟踪控制器.根据李亚普诺夫理论,在理论上证明了所设计的路径跟踪控制系统是稳定的.该控制器实现了欠驱动UUV 3维空间的路径跟踪控制.仿真结果验证了控制器的有效性.     

欠驱动水下航行器三维直线航迹跟踪控制

针对欠驱动水下航行器的三维直线航迹跟踪控制问题,基于虚拟向导建立了三维航迹跟踪误差模型,采用反馈增益反步法设计航迹跟踪控制器,通过合理选择控制器参数消除了部分非线性项,与传统反步法设计相比简化了虚拟控制量的形式,并且能够避免基于视线法设计导引律时存在固有奇异值点的问题.基于李雅普诺夫稳定性理论分析了闭环跟踪误差系统的渐近稳定性.最后将设计的控制器应用于欠驱动水下航行器进行仿真实验,结果表明控制器具有精确的三维航迹的跟踪能力,并对外界干扰和模型参数不确定性具有较好的鲁棒性.     

自治飞艇直接自适应模糊路径跟踪控制

针对具有模型不确定和未知外部干扰的自治飞艇, 提出了直接自适应模糊路径跟踪控制方法. 该方法由路径跟踪控制和自适应模糊控制两部分组成. 首先基于飞艇的平面运动模型设计路径跟踪控制律, 包括制导律计算、偏航角跟踪和速度控制3 部分; 然后构造直接自适应模糊控制器逼近路径跟踪控制律中的不确定项. 稳定性分析证明所设计的控制律能使飞艇跟踪给定的期望路径, 跟踪误差收敛到原点的小邻域内. 仿真结果验证了所提出方法的有效性.

     

欠驱动无人水下航行器三维轨迹跟踪的反步控制

针对欠驱动无人水下航行器(underactuated unmanned underwater vehicles,UUVs)三维轨迹跟踪控制问题,本文有别于传统反步法中基于视线法设计姿态角误差变量的思路,提出了一种定义虚拟速度误差变量的反步控制器设计方法,能够有效避免传统反步法控制律设计时存在的奇异值问题,简化了传统反步法复杂的计算过程;设计了欠驱动UUV的三维轨迹跟踪控制器,给出了系统的误差方程,基于Lyapunov稳定性理论证明了系统在定常外界扰动下的鲁棒性和稳定性;仿真结果表明本文提出的UUV三维轨迹跟踪反步控制方法收敛、有效,能够实现欠驱动UUV对时变三维轨迹的精确跟踪控制.     

欠驱动自主水面船的非线性路径跟踪控制

基于级联方法提出一种欠驱动自主水面船的全局K指数稳定路径跟踪控制算法.采用以自由路径参考点为原点的Serret-Frenet坐标系建立路径跟踪误差的动态模型,以路径参数的变化率为附加控制输入,克服了以正交投影点为坐标原点时的奇异值问题.设计路径跟踪航向角指令,将路径跟踪模型分解为位置跟踪子系统和航向角、前向速度跟踪子系统两个子系统级联的形式,设计航向角和前向速度的全局指数稳定跟踪控制器,应用级联系统理论证明了路径跟踪误差的全局K指数稳定性.数学仿真和自主水面船湖上实验结果验证了该路径跟踪控制算法的有效性.     

PPR型平面欠驱动机械臂的点位控制

研究了PPR型平面欠驱动机械臂(第1个关节和第2个关节是移动关节且是受控的,第3个关节为被动的转动关节)在水平面运动的点位控制问题.首先,通过输入和坐标变换方法,系统的动力学方程被变换成二阶链式形式.其次,提出用反步法推导出保证系统指数渐近稳定的控制器.仿真结果表明,机械臂能够稳定地从任意初始位置运动到任意给定的位置,从而证明了控制器设计的有效性.     

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.     

非线性迭代滑模的欠驱动AUV路径跟踪控制

为实现欠驱动自治水下机器人（AUV）在未知海流干扰作用下的路径跟踪控制,提出一种基于非线性迭代滑模增量反馈的路径跟踪控制器。选用一般曲线参数和Serret-Frenet坐标系描述路径跟踪误差,建立AUV水平面路径跟踪误差方程。采用迭代方法,设计滑模增量反馈控制器,无需对AUV模型参数不确定部分和海流干扰进行估计。仿真实验表明,设计的控制器参数易于调节,可用于实际欠驱动水下机器人来实现对水平面路径的精确跟踪。     

Robust adaptive path-following control of underactuated marine vessel with off-track error constraint

In this paper, a new robust adaptive controller is investigated to force an underactuated surface marine vessel to follow a predefined parameterised path at a desired speed, despite actuator saturation and the presence of model uncertainties as well as environmental disturbances induced by waves, wind and sea-currents. To ensure robustness of the path-following controller, time-varying constraint on the off-track error (i.e. the maximal distance from the ship to the reference path) is considered. To address the off-track error constraint the tan-barrier Lyapunov function is incorporated with the control scheme, where the idea of auxiliary design system introduced in Chen, Sam, and Ren (2011) is adopted and its states are used in combination with backstepping and Lyapunov synthesis to adaptive tracking control design with guaranteed stability. Furthermore, the command filters are adopted to implement physical constraints on the virtual control laws so that analytic differentiation of the virtual control laws is avoided. We show that the proposed robust adaptive control law is able to guarantee semi-global uniform ultimate bounded stability of the closed-loop system. Numerical simulations and experimental results are carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm.     

基于自适应扰动观测器的自主船舶协同路径跟踪控制

为实现未知环境扰动下不确定欠驱动自主船舶的协同路径跟踪控制,本文提出了一种基于自适应扰动观测器的鲁棒控制算法.该算法采用径向基函数神经网络(RBFNNs)逼近模型参数不确定,并利用最小学习参数化(MLP)技术对神经网络的权重及逼近误差进行压缩,所设计观测器不需要环境扰动上界的精确信息.进一步,基于代数图论对船间通信进行建模,设计了一种分散式协同控制律,有效地降低了通信负载.凭借Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统内信号的有界性,且能通过对设计参数的调节使跟踪误差的收敛界为任意小.最后采用数值仿真试验验证了所提出算法的有效性和优越性.     

Command-filtered sensor-based backstepping controller for small unmanned aerial vehicles with actuator dynamics

In this study, a command-filtered sensor-based backstepping controller is proposed for small unmanned aerial vehicles (UAVs) with actuator dynamics. The command filter is introduced to prompt the virtual control law to be limited in a certain range and the corresponding state to subsequently be restricted to a certain area. When using the sensor-based backstepping recursive method, precise models of the UAVs are not required because the controller is not sensitive to the external disturbance. The actuator dynamics are compensated without prior knowledge of the mathematical model of the executing agency. Besides, a robust compensator is developed for the virtual control law of the first subsystem of the UAV, which shows strong robustness against the uncertainties of the aerodynamic coefficients and external disturbances. Moreover, the closed-loop system is proven stable in the sense that the signals are bounded. A numerical simulation is carried out to verify the effectiveness of the developed controller.     

舰载机自动着舰纵向控制系统设计

航空母舰在大海上以一定速度作匀速直线运动时,海浪激励舰体作三自由度摆动运动,同时伴有低空大气紊流和舰尾流的干扰,使得舰载机着舰的环境十分恶劣,这样对自动着舰控制系统提出了极大的挑战.针对这一特殊问题,本文提出一种指令滤波积分反步滑模控制方法,首先该方法采用指令滤波处理反步的计算膨胀问题,然后引入滑模控制来解决外界扰动和匹配不确定性问题.考虑到降低滑模控制引起的抖动,本文利用高阶滑模控制的思想,在传统的反步方法上增加了一个附加虚拟控制状态方程,将控制器的最终输出作用在一个积分器上,这样不仅可以降低滑模控制的抖动,还可以利用反步方法处理不匹配不确定性问题.最后在理论上证明了所提出方法的全局稳定性,并通过仿真实验验证了该方法的有效性.