无人机空中加油过程中分数阶滑模会合导引控制

针对带末端角度和末端速度约束的无人机空中加油自主会合问题,设计了一种3维分数阶滑模导引律,使无人机在无加油机主动配合的情况下具备自主会合能力.首先,根据无人机与加油机之间的相对运动关系,设计了3维比例导引规律,使无人机能够到达期望的加油位置.其次,利用滑模控制的强鲁棒性特点以及分数阶微积分的精细控制特性,基于变结构理论和李雅普诺夫稳定性理论设计了一种带有末端角度约束的3维分数阶滑模变结构控制律,并用所设计的分数阶滑模控制律对3维比例导引指令进行重构,使无人机能以期望的末端追踪角度到达加油位置.然后,构造了速度指令生成器,对无人机的末端速度进行约束.最后,对所设计的导引律进行了仿真验证,仿真结果表明所设计出来的导引律能满足追踪角度和速度约束的要求.     

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.     

大规模固定翼无人机集群编队控制方法

针对大规模固定翼无人机集群的编队控制问题,提出一种分层分组控制方案.首先,设计一种分布式的无人机集群分层分组控制架构,将集群内所有无人机分成若干独立且不相交的群组,并在群组内分别形成“长机层”和“僚机层”;其次,对各群组内的长机设计协同路径跟随控制律,使长机收敛到各自期望路径上的虚拟目标点,并通过对各虚拟目标点的协调控制实现长机的协同,进而实现各群组间的协同;然后,对各组的僚机设计控制律以跟随其所在群组的长机,使其与长机保持期望的相对位置且朝向一致.设计的大规模集群编队控制律考虑了固定翼无人机的控制约束和环境中风的影响,并证明了闭环系统的稳定性.100架固定翼无人机集群的全流程数值仿真,验证了所提出控制方法的有效性.     

某无人机的纵向控制律设计仿真分析

介绍无人机飞行控制设计结构和仿真方法,通过对飞机本体建模和控制律建模,分析了无人机自主飞行时纵向的控制方法,同时给出建模依据和关键点.以matlab为仿真平台进行本体建模和线性化分析,再把俯仰角和高度保持作为纵向控制律设计需求,并通过对增益的调节得到一个无人机自主飞行时稳定可控的控制律,并且设计增加补偿器来减小稳态误差,通过仿真结果证明这种方法的合理性.     

多无人机空中加油的最优会合航路规划

为了空中加油能面向多架无人机,本文提出了空中加油的三维最优会合航路规划算法.多架无人机分布在不同区域,需要加油机沿预定的规划航路飞行会合,以完成空中加油任务.由于加油机可同时服务的受油机数量有限,需要寻找最优分配策略将无人机预分配至不同加油区域与之会合.本文首先根据加、受油机在各加油区域的最短会合时间,将最优分配问题建模为整数线性规划问题,求解得到加油机与各无人机的最优会合点.随后,本文提出了三维空间Dubins路径延长算法,保证各无人机按照分配结果与加油机同时到达会合点.最后,分别针对二维和三维多架无人机空中加油任务进行仿真.仿真结果表明本文提出的最优会合航路规划算法得到的Dubins航路,可以保证空中加油会合任务在最短时间内完成.     

无人机的自动着陆控制

无人机的自动着陆控制是无人机控制中的一个难点,文中给出了一种无人机自动着陆的控制方法,并在某型无人机上得到了应用.基于无人机真实的风洞试验数据,利用MATLAB建立了无人机自动着陆的线性化模型和非线性模型,设计了无人机自动着陆导引控制方案及控制律,并在实际飞行试验中得到了验证,最终的飞行试验结果表明了所设计的自动着陆控制律能满足自动着陆的要求,并具有很好的静态和动态特性.     

飞翼无人机复合连续非奇异终端滑模姿态跟踪容错控制

本文针对受多源干扰和舵面故障影响的飞翼无人机系统姿态跟踪控制问题进行研究, 提出了一种基于高阶滑模观测器的复合连续非奇异终端滑模主动抗干扰容错控制算法, 在实现姿态跟踪误差有限时间收敛的同时, 保证了控制量的连续. 并且针对控制力矩的具体实现问题, 结合飞翼无人机气动舵面冗余特性, 给出了基于加权伪逆算法的舵面分配方案, 该方案在满足舵面约束的情况下, 保证了舵面偏转角度的最优. 仿真结果表明, 所提控制方案显著提升了飞翼无人机姿态跟踪精度和跟踪误差的收敛速度, 并且保证了所有舵面满足偏角约束.     

飞翼布局无人机分数阶积分滑模姿态控制

针对存在复合干扰的飞翼布局无人机(UAV)姿态控制问题,提出了一种基于分数阶积分滑模与双幂次趋近律的姿态跟踪控制方案.结合分数阶微积分及滑模变结构控制理论,设计了分数阶积分滑模面.为解决传统趋近律收敛时间长和抖振严重等不足,提出一种具有二阶滑模特性且有限时间收敛的双幂次趋近律.在名义控制律的基础上,设计super twisting滑模干扰观测器,实现对复合干扰的估计和补偿,增强内外环控制器应对复合干扰的鲁棒性.为充分利用冗余操纵面与解决非线性舵效问题,在飞行控制系统中引入了非线性控制分配环节.仿真结果验证了所提方案的有效性.     

基于扩张状态观测器的四旋翼无人机快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制

针对受多源干扰影响的四旋翼无人机系统的轨迹跟踪控制问题进行研究,充分考虑位置回路和姿态回路动态特性,提出一种全回路复合快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制方案.首先,通过变换将轨迹跟踪问题转化为位置回路和姿态回路的指令跟踪控制问题;然后,将各通道之间的耦合以及多源干扰影响视作集总干扰,并基于扩张状态观测器对其进行估计;接着,基于干扰估计信息和快速非奇异终端滑模控制算法,分别在位置回路和姿态回路构造复合快速非奇异终端滑模控制器;最后,基于位置回路和姿态回路虚拟控制量解得无人机真实控制量旋翼转速.仿真结果表明,所提出控制方案显著提升了四旋翼无人机轨迹跟踪的响应速度和抗干扰性能.     

基于ARM7的无人直升机硬件系统设计

为了提高无人机的控制性能,针对某小型无人直升机,提出并实现了以ARM7为处理核心的无人机飞行控制计算机的硬件系统设计方案,详细给出了系统整体方案的设计和接口设计.以一种新的方式采集遥控器的控制信号,这些信号直接是数字信号,这使得对手控信息的采集更加可靠安全.该飞行控制计算机具有体积小,自主导航能力强的特点.     

Rendezvous in space with minimal sensing and coarse actuation

In this paper, we propose a control law to achieve a rendezvous of autonomous vehicles moving in three-dimensional (3D) space, using minimal data sensing and quantized control. A pre-assigned graph uniquely assigns the pursuer-target pair in a cyclic manner. A quantized control law has been proposed which allows the vehicle to pitch and yaw simultaneously in the required direction and track its target agent. The only measurement required for the proposed control law is the quadrant from which the target vehicle moves out of the field-of-view of the pursuing vehicle. A Lyapunov function is chosen to find a domain for the field-of-view which guarantees rendezvous under the proposed control law. Computer simulations are presented to demonstrate the control law.     

Design and implementation of an autonomous flight control law for a UAV helicopter

In this paper, we present the design and implementation of an autonomous flight control law for a small-scale unmanned aerial vehicle (UAV) helicopter. The approach is decentralized in nature by incorporating a newly developed nonlinear control technique, namely the composite nonlinear feedback control, together with dynamic inversion. The overall control law consists of three hierarchical layers, namely, the kernel control, command generator and flight scheduling, and is implemented and verified in flight tests on the actual UAV helicopter. The flight test results demonstrate that the UAV helicopter is capable of carrying out complicated flight missions autonomously.     

基于凸面体圆弧航路的无人机自主避障算法

为解决无人机飞行过程中障碍物规避问题,提出一种新的三维自主避障算法.首先,根据障碍物的若干信息利用标准凸面体对不规则障碍物进行数学建模,用一个或多个标准凸面体覆盖障碍物整体或关键部分;然后,根据障碍物模型设计圆弧规避航路算法,将避障问题转化为跟踪规避航路控制问题,并定义避障判定、避障方向判断和成功避障规则;最后,结合非...     

基于粒子滤波的无人机自主轨迹视觉导航控制方法研究

针对现有无人机导航控制方法存在的控制效果不佳的问题,本文提出一种基于粒子滤波的无人机自主轨迹视觉导航控制方法研究。利用粒子滤波算法,实现对无人机自主轨迹视觉导航控制方法的优化设计。采用栅格法构建无人机飞行环境地图,根据无人机的机械组成结构和工作原理,构建运动状态模型。利用内置的摄像机设备采集视觉图像,执行图像灰度转换、几何校正、滤波等预处理步骤。通过对视觉图像的特征提取,判断当前环境是否存在障碍物。利用粒子滤波算法确定无人机位姿,结合障碍物识别结果规划无人机的自主飞行轨迹。将位置、速度和姿态角的控制量计算结果,输入到安装的导航控制器中,完成无人机的自主轨迹视觉导航控制任务。通过实测分析得出结论：应用设计的导航控制方法,其位置误差、速度误差以及姿态角误差均维持在预设值以下,即设计的导航控制方法具有良好的控制效果。     

无人机航迹控制模块的优化设计与实现

当前在无人机作业过程中,能够根据预设的目的地信息自主控制飞行的模块,在多个最优方案条件下,需要预设复杂约束条件,否则就会存在寻优过程不收敛的问题,导致控制效果不佳。针对这一问题,研究了无人机航迹自主控制模块的改进设计。设计可以采集无人机的位置、速度等飞行信息,并上传至飞行主控器的模块硬件,软件在符合无人机飞行约束与威胁约束的条件下,规划获取后续飞行的最优航迹点。为了保证无人机飞行距离最短、高度最小,将无人机航迹自主控制问题变成优化问题。在面临多个最优方案条件下,构建基于鲸鱼算法的无人机航迹选择模型,以无人机飞行航线代价最小为目的,使用鲸鱼算法求解无人机航迹自主控制方案,完成软件设计。实验结果显示：使用所设计模块后,无人机可自主控制飞行航迹,成功避开静态威胁因素、动态威胁因素安全飞行至目的地。     

Distributed optimal cooperative tracking control of multiple autonomous robots

This paper presents a unified distributed optimal control approach for multiple autonomous robots’ cooperative tracking as well as obstacle avoidance. An inverse optimal control strategy is employed to design cost functions such that three cooperative control objectives including cooperative tracking, obstacle avoidance, and control effort minimization, can be addressed in one optimal control design process. The optimal control law of each robot can be obtained in a closed-form and only depends on the local information from the neighbors, rather than all robots’ information. Three simulation scenarios, rendezvous to a pre-specified point, tracking a straight line reference with a constant velocity, and tracking a circular trajectory, demonstrate the desired cooperative tracking behaviors as well as obstacle avoidance capability.     

Predictive Guidance-Based Navigation for Mobile Robots: A Novel Strategy for Target Interception on Realistic Terrains

This paper presents a novel online trajectory planning method for the autonomous robotic interception of mobile targets in the presence of dynamic obstacles. The objective is time-optimal position and velocity matching (also referred to as rendezvous) while traversing realistic terrains with uneven topologies. The primary novelty of the proposed interception method lies in its ability to minimize rendezvous time with the target, as well as energy consumption, by directly considering the dynamics of the obstacles and the target while accurately determining a feasible way to travel through the realistic terrain. This objective is achieved by computing rendezvous maneuvers using an advanced predictive guidance law. The method is designed to effectively cope with maneuvering targets/obstacles by predicting their future velocities and accelerations. Obstacle avoidance and terrain navigation are seamlessly integrated. Extensive simulation and experimental analyses, some of which are reported in this paper, have clearly demonstrated the time efficiency of the proposed rendezvous method.