基于级联方法的欠驱动AUV全局K指数3 维直线跟踪控制

采用非线性系统级联方法,提出一种欠驱动自主水下航行器的3维直线跟踪控制算法,首先将3维直线跟踪误差模型分解为水平面运动受垂直面运动扰动的级联结构;然后分别设计俯仰角指令和航向角指令,进一步将平面直线跟踪模型分解为位置跟踪误差受俯仰角/航向角跟踪误差扰动的级联结构,并设计了俯仰角和航向角的跟踪控制律,通过逐级应用级联系统稳定性理论证明了3维直线跟踪误差的全局κ指数稳定性;最后通过数学仿真验证了所提出跟踪控制算法的有效性。     

输入受限下自主水下航行器路径跟踪的级联控制

针对自主水下航行器的路径跟踪控制问题,首先,将基于路径坐标系和虚拟向导概念建立的跟踪误差方程转换成一种新的级联系统表示形式,该级联系统由一个位置误差名义系统和与之级联的速度和航向误差子系统组成,与常规控制器求解相比,解耦了位置误差与速度和航向误差子系统;其次,利用滤波反步法对速度和航向子系统进行求解,避免了反步法对虚拟控制量解析求导引起的“计算膨胀”的不足,并通过构造辅助系统对滤波误差和输入受限下的控制量残差进行补偿,基于李雅普诺夫稳定性理论保证了速度和航向子系统的有界收敛;再次,通过级联系统理论证明闭环跟踪误差系统所有信号的一致最终有界;最后,通过仿真实验验证所提级联控制的有效性.     

履带移动平台带边界层bang-bang路径跟踪控制

为实现无法闭环调速的开关阀控履带移动平台路径跟踪,考虑到平台速度低且可原地转向的特点,基于纯追踪算法,提出不需要底层轮速控制的带边界层bang-bang路径跟踪控制算法。根据几何及运动学关系,建立履带移动平台目标点追踪模型;以航向角偏差作为切换函数,通过bang-bang算法控制两侧履带正反转,引入边界层厚度参数,以减小电磁阀开关频率;根据李雅普诺夫稳定性理论,证明了边界层外系统各状态均是稳定的,但边界层内航向角偏差在原点处是不稳定的,且前视距离越小,航向角偏差发散越快。基于Matlab/Simulink和Recurdyn联合仿真平台,选择矩形目标路径,仿真验证了不同前视距离下bangbang算法的路径跟踪效果,并与闭环调速的纯追踪算法进行对比。搭建样机试验平台,对bang-bang路径跟踪控制算法进行地面试验。仿真和试验结果表明,bang-bang路径跟踪控制算法可控制开关阀控履带移动平台实现对直线或折线路径的跟踪,且算法在转角处跟踪精度高于闭环调速的纯追踪算法路径,稳态误差小于9cm,满足煤矿机器人自主导航行走要求。     

基于终端滑模的四旋翼飞行器非线性轨迹跟踪控制

考虑到四旋翼飞行器的传统内外环控制策略依赖时标分离假设,稳定性分析复杂,并且控制参数选取困难的缺点,提出了一种与传统内外环控制策略不同的轨迹跟踪控制器;首先将四旋翼飞行器数学模型进行相应的变换,以分解为高度、偏航角和纵横向三个级联的子系统,再使用终端滑模控制方法设计高度和偏航角子系统的控制器,使两个子系统的状态误差可以在有限时间内收敛到原点,之后基于变量非线性变换设计纵横向子系统的控制器,分析了闭环系统稳定性,证明了所设计的轨迹跟踪控制器可以保证闭环系统跟踪误差渐近稳定到原点,最后仿真实验的结果验证了所设计的控制器的有效性。     

基于STM32的无人船控制系统设计与实现

针对现有水面无人船(Unmanned Surface Vehicles, USV)自主导航问题,设计了一种基于STM32单片机的无人船运动控制系统。该系统以STM32F103芯片作为主控板核心芯片,采用了双MCU(Microcontroller Unit;微控制单元)架构,通过CAN总线形式实现数据采集板与运动控制板之间的通信;通过卡尔曼滤波算法实现全球定位系统(GPS)和捷联惯导系统(SINS)对无人船定位信息的数据处理,使无人船的定位更加准确;通过自抗扰控制算法实现无人船对航向角的闭环控制,以达到路径跟踪的目的;采用4G网络通信方式实现无人船的远程操控功能;同时设计了基于Java开发的上位机软件。实验结果表明,无人船在航向跟踪方面均方差可控制在2.18°左右,在路径跟踪方面垂直距离的均方差可控制在0.53m左右,证明了系统设计的准确性及可行性。     

基于聚合跟踪误差的多USV自适应连续协调控制

针对仅邻近多无人水面船(Unmanned Surface Vessel,USV)在无向连通通信拓扑结构下,USV协调轨迹跟踪控制问题,提出一种基于领航者跟随协调策略的分布式自适应连续跟踪控制算法。通过引入虚拟领航者,假设其已知期望轨迹和期望速度,利用跟随者的队形位置跟踪误差和速度跟踪误差构造聚合跟踪误差。进而基于协调跟踪控制系统的聚合跟踪误差系统模型,使用自适应项补偿外界环境的干扰,结合边界层理论提出分布式自适应连续协调跟踪控制算法以提高系统的鲁棒性。通过Lyapunov稳定性理论证明了聚合跟踪误差的收敛性,所有USV的位置跟踪误差和速度跟踪误差有界并趋于一致,仿真验证了该算法的有效性。     

固定双桨驱动的无人水面艇自主直线路径跟踪系统

针对直流电机驱动固定双桨的无人水面艇,介绍了一种自主直线路径跟踪系统,该系统由岸基监控系统和艇载控制系统组成,具有自主航行和遥控航行两种工作模式,可在自主航行出现危险时切换到遥控模式,保证航行安全。岸基监控系统通过数传电台与艇载控制系统通信,向艇载控制系统发送控制命令,接收并显示其传回的状态信息;艇载控制系统以工控机为主控单元,进行数据采集与解算,与岸基监控系统通信,并为直线路径跟踪控制算法提供程序接口;GPS双天线高精度测向定位系统为直线路径跟踪控制算法提供位置和航向信息,直线路径跟踪控制算法根据距离偏差和航向偏差计算出左右两侧电机电压,进而控制无人水面艇航行。实验分别采用了PID、模糊控制和模糊PID三种控制方法,系统实际水上实验表明,在风力2~3级,晴到多云天气条件下,无人水面艇对目标路径的最大跟踪误差小于0.6 m。     

基于ESO的船舶航向鲁棒自适应控制

针对具有内部未建模动态和外部不确定扰动的水面船舶设计一种鲁棒自适应航向控制器,并同时解决转向过程中的漂角补偿问题.基于二阶非线性Nomoto模型和一阶漂角模型,建立非积分链结构的漂角-航向非线性状态空间模型,将航向控制系统未建模动态与外部不确定扰动合并为复合扰动,应用扩张状态观测器估计模型中的未测量状态和系统复合扰动.基于Lyapunov稳定性理论和自适应反步法设计航向状态反馈控制规律,为避免反步法控制过程中的微分爆炸问题,采用动态面控制技术获取虚拟控制信号的近似导数.所提出的扩张状态观测器和航向控制算法能够保证闭环系统内所有误差信号一致最终有界,提高航向保持和转向过程中的航向跟踪精度.仿真结果验证了所提出的航向控制规律的有效性.     

一种基于电子海图的欠驱动AUV区域搜索方案

针对环境(主要指边界信息)已知的区域搜索任务,设计了适用于欠驱动AUV(autonomous underwater vehicle)的区域搜索方案,能在极少量人工参与的情况下在任务区域的电子海图基础上实现环境模型建立进而规划出全局路径,由AUV自主地完成对路径和地形的自主跟踪,从而实施诸如地理信息采集或物体探测等作业任务.首先,路径规划方法能在给定任务参数的基础上自主地对电子海图进行处理形成环境模型并据此给出2维梳状全局路径,即使区域的几何形状为复杂的凹多边形也能给出合理结果;其次,自主跟踪采用解耦的控制方法,即分别对纵向速度、艏向和深度进行控制,使得AUV能同步地完成对水平面路径和对海底地形的跟踪.提出了一种基于Sigmoid函数的路径跟踪制导控制方法,控制器以AUV的当前艏向及其与路径的横向距离偏差作为输入,经过计算输出参考艏向角;将具有良好鲁棒性的非线性自适应S面控制算法融入执行层的控制,在加速了系统响应的同时减小了超调从而提升了控制效果;最后,跟踪仿真试验的结果显示AUV在水平面对梳状路径的跟踪误差在给定路径规划重叠率参数的前提下能保证AUV对区域扫描的全覆盖,在垂直面对地形高度的跟踪误差符合传感器对距离的要求.全局路径规划方法的可行性在介绍算法的同时结合算例得以验证,跟踪仿真试验也说明自主跟踪控制器能较好地同时跟踪梳状路径和变化的地形.     

欠驱动船舶路径跟踪的神经网络稳定自适应控制

针对三自由度欠驱动船舶模型参数不确定的路径跟踪问题, 设计了神经网络稳定自适应控制器. 首先应用微分同胚等效变换和Lyapunov直接法设计参考航向和参考速度, 然后对船舶模型参数不确定的操纵环路和推进环路分别设计神经网络稳定自适应控制器跟踪参考航向和参考速度, 并对外界风浪流干扰进行自适应补偿.Lyapunov稳定性分析证明了船舶路径跟踪闭环系统的所有误差信号一致最终有界. 仿真研究验证了神经网络稳定自适应路径跟踪器的有效性.     

四轮转向车辆转向解耦的双点跟踪控制

针对四轮转向(4WS)无人车辆路径跟踪中的过约束问题, 本文提出一种前后轮转向解耦的双点跟踪控制策略. 建立4WS车辆单轨运动学模型, 约束前后轮转向角速度, 规划曲率连续的回旋曲线参考位姿序列, 将其解耦为前后轴中心的双点参考轨迹; 以前后轮中心点为控制点, 采用非线性反馈控制的预瞄方法分别获得转向控制率, 双点跟踪误差指数收敛于0. 仿真和实车验证结果表明, 所提出的双点跟踪控制策略横向误差标准差减少0.2 m, 横摆角误差标准差减小3.0?, 具有更大的前后轮转角控制域和较高的跟踪精度     

Global stable tracking control of underactuated ships with input saturation

In this paper, tracking control of underactuated ship in the presence of input saturation is addressed. By dividing the tracking error dynamic system into a cascade of two subsystems, the torques in surge and yaw axes are designed separately using the backstepping technique. More specifically, we design the yaw axis torque in such a way that its corresponding subsystem is finite time stable, which makes it to be de-coupled from the second subsystem after a finite time. This enables us to design the torque in the surge axis independently. It is shown that the closed-loop system is stable and the mean-square tracking errors can be made arbitrarily small by choosing design parameters. Simulation results also verify the effectiveness of the proposed scheme.     

Universal Practical Tracking Control of a Planar Underactuated Vehicle

In this article, a universal controller is proposed for a planar underactuated vehicle to track arbitrary trajectories including feasible/non‐feasible ones and fixed points. The controller design relies on several coordinate/input transformations, auxiliary trajectory design and the back‐stepping technique. The stability analysis shows that the position and orientation tracking errors are uniformly globally practically asymptotically convergent (UGPAC), and the velocity tracking errors are uniformly globally asymptotically convergent (UGAC) to a ball of origin. Moreover, if the tracked target is in uniform rectilinear motion or motionless, the whole closed‐loop tracking error system is uniformly globally practically asymptotically stable (UGPAS). The effectiveness of proposed control law is verified by simulation examples.     

基于滑模自抗扰的智能车路径跟踪控制

针对传统的基于精确数学模型的路径跟踪控制方法很难适应复杂多变驾驶环境的问题,提出一种基于终端滑模控制与自抗扰控制的路径跟踪控制方法.首先,通过构造一个期望偏航角函数能够满足当车辆的实际偏航角趋近于该期望偏航角时其侧向位移偏差趋近于零,从而简化路径跟踪控制;然后,采用扩张状态观测器实时估计系统的未建模动态,同时采用非奇异终端滑模来设计非线性误差反馈律,从而实现偏航角快速、准确地跟踪控制.仿真结果表明,所设计的控制器能够保证车辆稳定行驶的同时快速、精确地跟踪期望的路径.     

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.

     

轮式移动机器人的位置量测输出反馈轨迹跟踪控制

针对机器人的姿态角难以精确测量的困难,本文研究基于位置测量的轮式移动机器人的轨迹跟踪问题.首先提出一种利用机器人的位置信息估计其姿态角的降维状态观测器,当机器人的线速度严格大于零时,可保证姿态角观测误差的指数收敛.然后给出一种新的状态反馈轨迹跟踪控制律,当参考轨迹满足一定的激励条件时,可以保证机器人的线速度严格大于零且跟踪误差全局渐近收敛.进一步结合姿态角观测器和状态反馈控制律,得到一种输出反馈轨迹跟踪控制算法.理论分析表明,当参考轨迹满足一定的激励条件时,所提出的输出反馈控制算法可以保证跟踪误差的全局渐近收敛.最后对所提出的姿态角观测器、状态反馈和输出反馈轨迹跟踪控制算法进行了仿真验证,证实了算法的有效性,并且当存在位置测量误差时,所提出的输出反馈轨迹跟踪控制算法仍可以保证机器人对参考轨迹的实际跟踪.     

Bounded controllers for global path tracking control of unicycle-type mobile robots

This paper presents a design of bounded controllers with a predetermined bound for global path tracking control of unicycle-type mobile robots at the torque level. A new one-step ahead backstepping method is first introduced. The heading angle and linear velocity of the robots are then considered as immediate controls to force the position of the robots to globally and asymptotically track its reference path. These immediate controls are designed based on the one-step ahead backstepping method to yield bounded control laws. Next, the one-step ahead backstepping method is applied again to design bounded control torques of the robots with a pre-specified bound. The proposed control design ensures global asymptotical and local exponential convergence of the position and orientation tracking errors to zero, and bounded torques driving the robots. Experimental results on a Khepera mobile robot verify the proposed control controller.