旋翼飞行机械臂建模及动态重心补偿控制

旋翼飞行机械臂是将多关节机械臂固连在旋翼飞行平台上而组成的一种面向主动任务操作的特殊系统,其飞行平台和机械臂之间存在强耦合特性.本文针对机械臂的规划运动对飞行平台的干扰问题,建立了系统运动学和动力学模型,并通过动态计算系统重心位置坐标,设计出基于backstepping的动态重心补偿控制方法,针对补偿项测量噪声问题设计了二阶低通滤波器,并使用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性.仿真和实验均验证了在相同的参数条件下,具有动态重心补偿项的控制算法比没有重心补偿项的控制算法在轨迹跟踪和姿态稳定方面具有明显优势.     

旋翼飞行机械臂系统的混合视觉伺服控制

旋翼飞行机械臂是一种具有强耦合特性的机器人系统,借助视觉进行自主作业还存在诸多问题,如实时深度估计、目标极易丢失以及目标笛卡尔空间模型重建等.本文针对传统的基于图像与基于位置的视觉伺服的缺陷以及系统自身欠驱动等问题,建立了运动学模型和提出了基于力平衡原理的动力学联合建模,并通过欧几里得单应性矩阵分解设计出旋翼飞行机械臂系统的混合视觉伺服控制方法,在图像空间控制平移、笛卡尔空间控制旋转,减弱了平移与旋转之间的相互影响实现解耦效果,改善了系统对非结构因素的抗扰性能和全局稳定性.通过仿真和实验检验了系统鲁棒性和算法优越性.     

基于分层运动分解的飞行机械臂视觉伺服控制

飞行机械臂系统具有主动作业能力, 通过搭载视觉传感器感知周围环境, 系统的自主能力将进一步提高.然而, 考虑到无人机的欠驱动和整个系统的非线性特性, 飞行机械臂系统的视觉伺服控制仍然是一项具有挑战性的工作. 本文在充分考虑机械臂对无人机的力/力矩作用后, 提出了一种基于分层运动分解的飞行机械臂视觉伺服控制方案. 首先, 对飞行机械臂系统的运动学和动力学模型进行分析. 然后, 根据所得的相机运动学模型, 通过基于图像的视觉伺服控制获得相机的期望速度, 进而制定无人机和机械臂的速度分配策略. 在考虑机械臂运动时对无人机产生的力/力矩影响, 设计了底层的飞行控制器. 最后, 在与现有方法的仿真对比中可以看出, 所提方法具有良好的控制性能, 对图像特征点位置的不确定性及图像噪声也表现了较好的鲁棒性     

柔性机械臂动力学与控制建模的若干基本问题

本文论述了柔性机械臂系统动力学与控制建模中的几个基本问题:描述方法、浮动框架与基函数选取、模态分析、近似分析、逆运动学与逆动力学、数值计算上的困难、固有频率问题、实时性、控制和实验.以期引起深层次研究者们的关注.     

四旋翼无人机的旋翼空气动力学建模与仿真

针对四旋翼无人机在不同飞行状态与不同姿态角状态下如何提升飞行稳定性的问题,提出了通过调整俯仰角来提升飞行稳定性的方法.首先建立了四旋翼无人机的机体坐标系与地面坐标系,运用动量理论、涡流理论及叶素理论,对四旋翼无人机的旋翼进行动力学分析,得到桨叶叶素所受到的空气动力及力矩,然后建立了各个旋翼空气动力学系数与飞行稳定性系数的数学模型,并使用MATLAB进行了仿真,得出各个旋翼空气动力学系数在不同飞行状态下的变化情况.最后进行了实际飞行检测,得出四旋翼无人机在飞行过程中,俯仰角保持在[-5°,5°]内,能有效提高飞行稳定性.     

柔性机械臂建模理论与控制方法研究综述

针对柔性机械臂进行有效和精确的建模以及对其进行有效的控制一直是国内外学者研 究的重要课题．由于柔性机械臂本身所具有的高度非线性、强耦合和时变的特点，建立精确 的动力学模型成为柔性臂研究的一个重点．而随着系统和控制领域理论和技术的不断发展， 针对柔性机械臂的控制，也形成了许多不同的控制策略．本文从柔性机械臂建模理论和控制 方法两方面，对国内外学者的研究工作分别加以介绍，并对各种方法的优缺点进行分析和比 较，并对今后的研究方向进行了展望．     

双连杆机械臂的动力学建模

本文以双连杆机械臂为对象,针对这一类非线性的机械模型对象,利用拉格朗日法对被控对象进行运动学建模,以便于根据模型设计各种不同的控制器,不仅使双连杆机械臂系统具有良好的稳态和暂态性能,同时也保证了系统具有较好的鲁棒性。笔者通过仿真实例验证了所给结果的有效性,为机械臂的控制提供了一种新的思路。     

六自由度机械臂约束预测控制系统的设计

本文提出了一种基于约束预测控制的机械臂实时运动控制方法.该控制方法分为两层,分别设计了约束预测控制器和跟踪控制器.其中,约束预测控制器在考虑系统物理约束的条件下,在线为跟踪控制器生成参考轨迹;跟踪控制器采用最优反馈控制律,使机械臂沿参考轨迹运动.为了简化控制器的设计和在线求解,本文采用输入输出线性化的方式简化机械臂动力学模型.同时,为了克服扰动,在约束预测控制器中引入前馈策略,提出了带前馈一反馈控制结构的预测控制设计.因此,本文设计的控制器可以使机械臂在满足物理约束的条件下快速稳定地跟踪到目标位置.通过在PUMA560机理模型上进行仿真实验,验证了预测控制算法的可行性和有效性.     

基于自适应遗传算法的小型无人旋翼机系统辨识方法

提出一种基于自适应遗传算法的小型无人旋翼飞行器系统辨识方法.通过机载传感器设备,系统采集小型无人旋翼机的输入信号(舵机的控制信号)和输出信号(飞行器的姿态及速度等信息);经过数据预处理后,利用自适应遗传算法构建小型无人旋翼飞行器高精度动力学模型,并通过仿真和实验对模型的自效性进行验证.实验表明,基于本文提出的动态模型,...     

Unmanned Aerial Vehicles Formation Using Learning Based Model Predictive Control

This paper presents a solution for the formation flight problem for multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) cooperating to execute a required mission. Learning Based Model Predictive Control (LBMPC) is implemented on the team of UAVs in order to accomplish the required formation. All flight simulations respect Reynold's rules of flocking to avoid UAV collisions with nearby flockmates, match the team members velocity and stay close to each other during the formation. The main contribution of this paper lies in the application of LBMPC to solve the problem of formation for an autonomous team of UAVs. The proposed solution is theoretically, by the application of analysis to the problem, demonstrated to be stable. Moreover, simulations support the findings of the paper. The main contributions of this paper are the proposed LBMPC formulation for formation of vehicles with uncertainty in their models, and the theoretical analysis of the solution.     

无人机飞行控制系统模拟器设计

提出了一种基于工业控制计算机开发的某型无人机飞行控制系统模拟器设计;详细介绍了系统设计原理，给出了硬件构成方案、软件功能模块组成和程序流程图，最后分析了测试结果；该模拟器充分利用了当前计算机技术、自动控制技术、系统实时仿真技术和面向对象编程技术，具有功能强大、界面友好、操作灵活的特点。可用于无人机系统先期设计验证或后期测试维护；实际使用情况表明该系统性能良好，完全能够代替真实飞行控制系统进行实时仿真试验。     

小型无人机飞控系统软件可靠性设计与建模研究

小型无人机硬件受系统造价及其他因素的影响,不能很好地保证小型无人机系统的整体可靠性,而必须通过软件来补充并提高小型无人机系统的整体可靠性;飞行控制系统作为无人机的核心子系统,它的软件可靠性成为了可靠性保证的重中之重。文中首先论述了某小型无人机飞行控制软件的系统结构以及软件可靠性设计的方法和过程,然后利用白盒测试方法结合修正条件/判定覆盖标准对该软件的可靠性进行了测试;测试过程中,通过设计4组不同的测试用例,检验这些用例所对应的测试路径是否与实际情况相同;实验结果表明,所设计的方法满足软件可靠性测试的需要。     

菱形翼布局无人机自抗扰直接升力着陆控制

针对采用传统的着陆控制方法时,菱形翼布局无人机存在着陆俯仰姿态角为负,对无人机着陆不利的情况,提出一种采用直接升力进行着陆的控制方案,可以实现着陆轨迹与着陆姿态之间的解耦,使得无人机可以以较好的姿态进行着陆.采用自抗扰控制(ADRC)方法分别设计了无人机非线性直接升力控制律以及着陆轨迹跟踪控制律.仿真结果表明:采用ADRC设计的非线性直接升力控制律可以实现直接升力控制的3种模式,并且对气动参数摄动具有较强的鲁棒性;采用直接升力着陆控制方法可以使得无人机以有利的姿态进行着陆,同时在近地面突风作用下,无人机依然可以以较好的姿态进行着陆.     

四旋翼微型飞行器控制系统设计

四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置,通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。     

基于神经网络的无人机滑模飞行控制设计

针对无人机受扰运动,基于Backstepping方法和非线性滑模控制提出了一种鲁棒神经网络飞行控制方案。对无人机姿态角速度层的系统不确定性项,采用径向基函数神经网络并对其权值进行在线调整,从而实现对其进行逼近。将回馈递推设计方法与滑模控制方法结合起来,基于神经网络的输出为无人机设计了一种回馈递推滑模飞行控制器。所设计的飞行控制器用于无人机的姿态控制,仿真结果表明所研究的无人机鲁棒神经网络飞行控制方案是有效的。     

基于OGRE的无人机全轨迹实时视景仿真系统

通过构建无人机全轨迹实时视景仿真系统,用于无人机全轨迹实时视景显示和运动模拟。该系统以开源的OGRE图形引擎作为基础,并结合建模软件3ds max,开源场景编辑器Ogre SE,及导入工具Ogremax,构建了全轨迹视景仿真所需要的三维机体模型,以及起飞阶段,巡航阶段和降落阶段的三维场景模型。通过编写解析函数库在OGRE图形引擎中解析和渲染场景。运用基于轴对齐包围盒(Axis-Aligned Bounding Box-AABB)的射线碰撞检测算法进行无人机投弹和击中目标爆炸效果模拟。通过开源的CEGUI图形界面库进行系统的人机界面的设计与构建,用于飞行数据的显示和人机交互。同时运用基于UDP的通信方式与d SAPCE实时运算主控机进行通信,使得视景系统能够实时地展示无人机飞行状态。最后通过联合实验验证视景系统的各项功能。     

六轴旋翼碟形飞行器控制系统软件设计及仿真研究

采用了控制不同电机转速组合的方法,对六轴旋翼碟形飞行器进行姿态控制,使六轴旋翼碟形飞行器在不同姿态下飞行时具有较好的性能;为了实现六轴旋翼碟形飞行器的飞行控制,对飞行器的控制系统进行了初步的设计,并且给出了控制系统软件设计流程图;同时以ProtuesISIS软件为基础建立了六轴旋翼碟形飞行器控制系统的仿真模型,并进行了仿真,仿真结果显示该控制系统能够满足六轴旋翼碟形飞行器起飞、悬停及降落等控制姿态的要求。     

On Trajectory Tracking Model Predictive Control of an Unmanned Quadrotor Helicopter Subject to Aerodynamic Disturbances

In this article a model predictive control (MPC) strategy for the trajectory tracking of an unmanned quadrotor is presented. The quadrotor's dynamics are modeled using a hybrid systems approach and, specifically, a set of piecewise affine (PWA) systems around different operating points of the translational and rotational motions. The proposed control scheme is dual and consists of an integral MPC for the translational motions, followed by an MPC scheme for the tracking of the quadrotor's attitude motions. By the utilization of PWA representations, the controller is computed for a larger part of the quadrotor's flight envelope, which provides more control authority for aggressive maneuvering. The proposed dual control scheme is able to calculate optimal control actions with robustness against atmospheric disturbances (e.g. wind gusts) and with respect to the physical constraints of the quadrotor (e.g. maximum lifting forces or fixed thrust limitations in order to extend flight endurance). Extended simulation studies indicate the efficiency of the MPC scheme, both in trajectory tracking and aerodynamic disturbance attenuation.