双轮移动机器人安全目标追踪与自动避障算法

设计了双轮移动机器人安全目标追踪算法和双回路的追踪与避障控制方案.内层控制回路是目标追踪的控制律,用来指导机器人追踪到指定目标并保持一定的安全距离,而且兼顾了机器人在运行速度上的限制和追踪的时间效率,其控制的渐近稳定性用Lyapunov函数法进行了证明.当遇到障碍物时,外层控制回路根据超声传感器的信息和阻抗控制的概念产生阻抗虚拟力,将期望目标调整到虚拟位置,使机器人能够自动转向以避开障碍物.仿真研究和实验结果证明了追踪算法的有效性和避障方法的可行性.     

基于准连续高阶滑模的可重复使用运载器再入姿态控制

针对可重复使用运载器再入段的姿态控制问题,提出一种基于准连续高阶滑模的控制方法。将姿态控制系统分为两个回路,分别为角度控制回路与角速度控制回路。角度回路作为外回路产生角速度指令,角速度回路作为内回路跟踪外回路产生的角速度控制指令。为了提高系统的鲁棒性,对两个回路分别设计滑模控制器。外回路中设计基于低通滤波的终端滑模控制方法,以获得平滑的控制量作为角速度指令。内回路设计增加系统相对阶的准连续高阶滑模方法,使控制律中不直接含有符号函数项,保证系统稳定的同时减弱控制器抖振。在具有外界干扰与参数不确定的情况下,使用本文提出的方法进行仿真试验,仿真结果证明了所提出方法的有效性。     

基于速度矢量的四足机器人间歇步态规划方法

为保证大负重四足机器人的全方位稳定行走,提出了基于速度矢量的间歇步态规划方法,采用间歇步态作为主步态,将平动与转动速度矢量映射为绕旋转中心转动.首先,采用旋转中心理论得到旋转中心坐标,根据足端工作空间计算最大旋转速度.其次,以稳定裕度为约束条件,对支撑相起始位置进行设计,同时为了满足零冲击条件,采用改进的复合摆线方法对摆动相轨迹进行规划.然后,提出增量式的轨迹规划方法,便于编程实现连续的支撑相运动指令,并进行稳定裕度、连续性、移动速度以及工作空间的需求分析,提出相应的参数设计方法.最后,分别采用虚拟样机和物理样机对3种步态进行对比实验,结果表明当α=0.5时其步态的晃动量最少且方差最小,该方法能够保证大负重四足机器人实现连续的全方位运动轨迹,并且具有较好的稳定性.     

不稳定零动态系统的鲁棒控制

不稳定零动态系统的特点是存在不稳定模态.不稳定零动态与不稳定模态有联系但并不等同,不稳定零动态具有不变性,而不稳定模态则是可以被镇定的.采用复合控制,用快速回路直接对不稳定子系统进行镇定,而对于取输出进行反馈的慢变回路来说,将快速回路的动特性作为未建模动态而采用常规的鲁棒控制方法进行设计.整个设计具有鲁棒性.以小车-倒摆系统为例对设计过程作了详细的说明.     

风浪流干扰及参数不确定欠驱动船舶航迹跟踪的滑模鲁棒控制

针对欠驱动船舶的模型参数不确定和外界风浪流干扰问题,为实现水平面的航迹跟踪控制,提出了一种基于上下界的滑模控制方法.首先利用反步法将控制器的设计分解为运动学回路和动力学回路.其次,在运动学回路中为实现位置跟踪误差的收敛,根据期望航迹与当前位置信息,设计船舶的纵向与侧移参考速度,并视为镇定位置误差的虚拟控制律;在动力学回路中,将虚拟控制律作为新的跟踪目标,利用滑模方法设计实际控制律实现对参考速度的跟踪控制,最终实现了欠驱动船舶的跟踪控制.最后对有无干扰下的欠驱动船模分别进行了仿真实验,仿真结果证明了控制律的有效性.     

小型无人直升机悬停小速度段位置控制技术

无人直升机在悬停/小速度飞行阶段具有特殊的物理特性,给控制系统的设计带来了诸多技术难题;针对无人直升机悬停/小速度段位置控制的需求,提出了一种基于"姿态角阻尼内回路"的位置控制结构,该控制结构采用内回路姿态角阻尼增稳,外回路位置控制的控制方式;并且针对增稳回路自适应性、抗风补偿和位置控制精度等问题,分别采用前馈自动配平机制与非线性PID控制方法对常规控制律进行改进;仿真验证表明,所提出的控制策略和控制律设计结果达到了较好的控制效果。     

高超声速飞行器姿态自适应解耦控制方法研究

研究飞行器优化姿态控制问题,高超声速飞行器具有的快时变、非线性、强耦合特性给姿态控制系统设计带来一定难度.针对飞行器的特性分析,将姿态动力学模型分解为姿态角与角速度跟踪的内、外两回路,采用动态逆方法设计了双回路控制系统结构,从而在实现完全解耦的同时有效降低了设计难度.同时针对动态逆方法过于依赖精确数学模型的局限性,设计PID神经网络控制器,利用神经网络的无限逼近能力调整自身网络权重矩阵参数值,使控制器对不确定因素与未知干扰具有一定的自适应能力.在标称和拉偏情况下进行仿真,结果表明,控制姿态角的跟踪超调量可在1.5％以内,侧滑角的耦合量不足1度,满足对飞行器控制优化的要求.     

基于PID和LQR的四旋翼无人机控制系统研究

为提高四旋翼无人机的飞行稳定性、无人飞行器控制系统的鲁棒性和控制精度,以建立的四旋翼无人机飞行控制系统模型为基础,采用现代控制理论与传统控制论相结合的方法,针对姿态角速率、姿态角分别设计内环LQR(线性二次型调节器)控制器,及外环PID控制的双回路闲环控制器.充分利用PID控制器易于掌握且对模型要求精度低、LQR控制器能改善内回路的动态特性和稳态性能的特点,完成四旋翼无人机的飞行控制.通过实验遴选该双闭环控制器相关参数并进行优化,实验结果表明所设计的双回路控制器控制性能指标良好.     

一种基于混合视觉伺服的切换控制方法

为解决目标远离摄像机视野问题,本文提出了一种基于混合视觉伺服的切换控制方法,根据目标在图像平面的位置,通过在两种具有不同特性的控制策略之间进行切换完成视觉伺服任务.采用的混合视觉伺服方法实现了平动和转动自由度的解耦,当目标位于图像平面中心区域时,采用控制策略使转动自由度误差指数级减小;当目标位于边界区域时,切换到另一种控制策略,使目标重新回到中心区域,通过切换控制最终完成伺服任务.仿真实验验证了提出的基于混合视觉伺服切换控制方法的有效性.     

一种巡线机器人控制系统的设计与实现

该文结合仓储信息管理系统的需求,设计并开发了一种巡线机器人控制系统。采用TMS320F2812型DSP,利用反射式红外传感器感知与地面颜色有较大差别的导引线,采用直流电机PWM驱动。结合模糊控制与PID控制方法,设计并实现了双回路巡线控制系统。其中:内回路采用PID控制器,构成PWM电机调速系统;外回路采用模糊控制器,构成导引线跟踪系统。实验结果表明,该方法能够很好地实现巡线机器人的巡线行走、转弯等功能。     

基于时标分离的飞行器姿态双环控制器设计方法

基于时标分离思想,将飞行器姿态控制系统分为慢变化的姿态角回路和快变化的角速度回路分别设计。外环采用精确线性化方法设计控制器。考虑到飞行器转动惯量的大范围时变或摄动,内环采用模型参考自适应控制方法设计控制器。仿真验证了方法的有效性。     

四旋翼飞行器建模及其运动控制

针对四旋翼飞行器是一个欠驱动、强耦合、非线性系统,提出了运用反步法解决系统非线性问题,达到对飞行器快速、准确、稳定控制目的.研究了以反步法作为非线性设计工具对飞行器控制系统的设计问题,将飞行控制系统分为内外环2个子系统.建立四旋翼飞行器动力学及运动学方程,并对数学模型进行适当简化.利用反步法求解飞行器内环姿态控制律,实现对目标姿态角的稳定控制;利用比例—积分—微分(PID)作为飞行器外环位置控制律,实现对目标位置的稳定控制.搭建飞行器系统模型,进行Matlab/Simulink仿真实验,结果表明:在小角度飞行和悬停状态下,飞行器的位置与姿态精度得到了有效控制,验证了数学模型与控制律设计的准确性.     

Path‐Tracking Control of a Riderless Bicycle Via Road Preview and Speed Adaptation

In this study, a genetic‐fuzzy control system is used to control a riderless bicycle where control parameters can adapt to the speed change of the bicycle. The equations of motion are developed for a bicycle with constraints of rolling‐without‐slipping contact condition between the wheels and ground. This controller consists of two loops: the inner is a roll‐angle‐tracking controller which generates steering torque to control the roll angle while guaranteeing the stability, and the outer is a path‐tracking controller which generates the reference roll angle for the inner loop. The inner loop is a sliding‐mode controller (SMC) designed on the basis of a linear model obtained from a system identification process. By defining a stable sliding surface of error dynamics and an appropriate Lyapunov function, the bicycle can reach the roll‐angle reference in a finite time and follow that reference without chattering. The outer loop determines the proper reference roll‐angle by using a fuzzy‐logic controller (FLC) in which previewing and tracking errors are taken into consideration. The robustness of the proposed controller against speed change and external disturbances is verified by simulations.     

Data-driven dual-rate cascade control and application to pitch angle control of UAV

A data-driven design method for a cascade control system is proposed. The cascade control system consists of inner and outer loops, where the control interval of the outer loop is an integer multiple of the inner loop; hence, the system is a dual-rate system. In the proposed method, controllers in the inner and outer loops are designed based on one-shot data. In such a dual-rate cascade system, since the controllers are designed using different data-rate signals, the lifting technique is applied to align the dual-rate data. To show its effectiveness, the proposed method is compared with a conventional single-rate cascade control method, and numerical simulations and experiments are presented to examine servo and regulation performance.     

Quadrotor Control Via Robust Generalized Dynamic Inversion and Adaptive Non‐Singular Terminal Sliding Mode

A robust two‐loops structured control system design for quadrotor's position/attitude trajectory tracking is proposed. The aim of the outer loop is to provide the roll/pitch tilting commands to the inner loop, which in turns generates the tilting angles that control the quadrotor's center of gravity in the horizontal plane. The outer loop utilizes Robust Generalized Dynamic Inversion (RGDI) of a prescribed asymptotically stable differential equation in the deviation function of the horizontal position coordinates from their reference trajectories. The inner loop employs an Adaptive Non‐singular Terminal Sliding Mode (ANTSM) to control the tilting angles, in addition to controlling the yaw attitude angle and the vertical position coordinate. The proposed scheme solves the singularity avoidance problems of generalized inversion and terminal sliding mode control. The stability of outer and inner loop is ensured by utilizing positive definite Lyapunov energy function for stable tracking performance against parametric variations and bounded unknown external disturbances. Numerous simulations are conducted on a six Degrees of Freedom (DoF) quadrotor model in the presence of parametric variations, un modeled dynamics, and external disturbances.     

基于线性化反馈的滑模变结构重装空投纵向控制律设计

针对重装空投过程中,重型货物持续移动及瞬间离机严重影响载机的安全性等问题,提出了基于线性化反馈和滑模变结构控制相结合的控制律设计方法,利用非线性多输入多输出反馈线性化完成系统解耦线性化,在此基础上采用滑模变结构控制设计系统内环速度与俯仰姿态跟踪控制器,保证了系统鲁棒性,结合外环PID高度保持控制器完成整个飞行控制系统的设计.最后,仿真验证了该控制器鲁棒性强,且满足空投任务战技指标要求.     

双端有源MMC-HVDC系统的控制策略研究

多端模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)一直是柔性高压直流输电系统(High Voltage Direct Current,HVDC)工程应用的重要部分,因此对其控制策略的研究很有实际意义。本文基于三相静止坐标系下MMC的数学模型,建立了dq旋转坐标系下的数学模型,根据瞬时功率理论设计出外环功率和内环电流的MMC-HVDC系统控制器。针对传统电容电压平衡策略的问题,从减少开关频率的角度提出了改进型的子模块电容均压方式。由于本文中真模型中相单元子模块过多,为使系统更稳定可靠运行采用了最近电平逼近策略(nearest level modulation,NLM)。最后在Matlab/Simulink仿真软件中搭建89电平双端有源MMC-HVDC系统模型,从改变控制器参考值、有功功率反转等角度对控制系统进行仿真分析对比,验证了MMC-HVDC系统控制器的可靠性和稳定性。     

高阶不确定系统的线性串级自抗扰控制

自抗扰控制是我国著名学者韩京清原创的先进控制技术,本文针对自抗扰控制(ADRC)在高阶系统应用中控制器设计和参数整定问题,提出了串级自抗扰控制(CADRC). CADRC把高阶被控对象分解为含确定性部分和含总扰动的低阶部分的串联组合,采用由内环和外环组成的串级控制系统来完成控制.该CADRC方案的内环采用内模控制,外环采用经典ADRC.外环ADRC的被控对象是一个等效的低阶系统,可以采用带宽法进行整定,而内环的内模控制采用高阶低通滤波器进行回路成形设计和参数整定.仿真研究表明,所提出的方法是有效的,具有良好的工程应用前景.