基于人工蜂群算法的无人直升机LQG/LTR控制律优化设计

针对无人直升机线性二次型高斯/回路传输恢复(LQG/LTR)飞行控制律设计中加权矩阵的选定问题, 提出一种基于人工蜂群算法优化控制器加权矩阵的方法. 采用LQG/LTR控制方法设计无人直升机的内外环自主飞行控制系统; 利用蜂群算法的全局寻优能力, 通过最小化性能指标对状态反馈控制器进行优化; 在系统噪声和阵风的干扰下, 对该无人直升机飞行控制系统进行轨迹跟踪仿真. 研究结果表明, 该优化设计方法提高了控制器的设计效率, 优化后的控制器的跟踪性能和鲁棒性有了明显提高.     

微小型无人直升机建模与航迹跟踪控制

无人直升机航迹跟踪控制系统对控制器性能要求较高,而现阶段很多控制器对复杂航迹跟踪效果一般,误差较大,很难为真实无人直升机航迹飞行提供理论依据.针对上述问题,首先,对无人直升机外部进行PID控制器设计,并针对PID控制器提出一种改进粒子群算法对控制器进行参数整定.然后,采用改进人工势场法的航迹与无人直升机模型相结合的方式...     

基于Dubins路径的无人艇运动规划算法

针对无人艇运动规划问题,通过Dubins路径的理论分析,提出一种利用纯粹几何方法的Dubins路径计算方法。该方法中没有出现解方程组的运算,而是首先根据无人艇运动状态计算转向圆,然后利用几何方法计算转向圆间的公切线,最后通过公切线连接得到Dubins路径。通过5组仿真实验验证了所提方法的有效性。前4组仿真实验分别设计了计算Dubins路径过程中可能出现的各种情形,以验证算法适用于多种情况的Dubins路径计算。最后一组仿真实验用于无人艇的路径规划及运动状态调整,仿真结果表明,基于Dubins路径的无人艇运动规划算法是可行的。     

无人旋翼飞行器自适应飞行控制系统设计与仿真

为了设计出能适应不同飞行任务的无人旋翼飞行器飞行控制系统,讨论了模型逆控制器原理.提出了神经网络补偿控制器及其权系数在线算法,分析了综合控制器稳定性.导出了无人旋翼飞行器旋转动力学逆控制器和平移动力学逆控制器,设计了姿态内回路控制器和轨迹外回路控制器,确定了共轴旋翼转速驱动电机的控制分配策略.规划了组合机动飞行科目来模拟自动飞行任务.通过仿真验证了自适应飞行控制系统对无人旋翼飞行器水平垂直运动、悬停和航向运动的飞行控制能力.结果表明,所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现姿态与轨迹的稳定和跟踪控制.     

基于能量管理的飞翼飞行器迫降轨迹设计

针对飞翼类飞行器迫降轨迹设计问题,建立力学运动模型对无动力滑翔过程进行分析,采用满足始末端约束和飞行器性能约束的Dubins轨迹进行轨迹搜索,并提出根据迫降初始能量状态采用广义Dubins类型航线规划低能迫降轨迹和高能迫降轨迹。通过批量仿真验证了迫降飞行阶段分段管理和能量实时评估实现迫降轨迹设计的方法使飞行器精确回收到迫降点的同时兼具适应环境干扰的鲁棒性,对实际工程应用具有重要意义。     

基于滑模控制的导弹制导系统设计

对传统的导弹制导系统进行改进设计,改善导弹的路径跟踪效果。首先引入Dubins曲线对导弹进行航迹规划进行,并基于滑模控制进行导弹制导策略的设计,自动驾驶仪系统采用级联比例积分控制器。Dubins曲线能为导弹创建更平滑的参考轨迹,减少导弹的超冲运动与振荡现象。滑模控制通过计算导弹与参考轨迹的相对距离,获得参考方位角,进而实现对参考轨迹的跟踪,能够提高制导系统响应速度、抗干扰能力。对导弹跟踪路径效果进行仿真,对比引入dubins曲线前后导弹的跟踪轨迹的误差与振荡现象,证明了引入dubins曲线对于导弹的路径规划工作具有显著帮助,并对结果中的一些现象进行了讨论。并已dubins曲线作为仿真路径,对传统比例制导策略和改进型滑模控制制导策略的仿真结果进行对比,证明了改进型制导系统设计的可行性,并对其路径跟踪表现的特点进行了讨论。     

一种简便的无人直升机多机编队飞行仿真系统设计与实现

基于X-Plane仿真环境设计并实现一种简便的无人直升机多机编队飞行仿真系统.针对使用真实无人机进行编队协同实验的成本和风险较高等问题,利用X-Plane自带的直升机模型和飞行环境设计并实现一个可同时多无人直升机在线仿真的系统,可以接收每架无人直升机的飞行数据以及对其进行控制.仿真结果表明,该系统可以实现对真实无人直升机编队飞行进行模拟以及对编队算法进行验证等功能.     

四旋翼无人直升机鲁棒飞行控制

讨论了四旋翼无人直升机的飞行控制问题,提出了一种鲁棒控制器设计方法.该控制器由内环姿态控制器和外环位置控制器两部分组成,姿态控制器采用基于信号补偿的鲁棒控制方法,位置控制器由经典的PD控制实现.将该控制器用于实验室自主研制的四旋翼无人直升机系统,实现了室内悬停飞行.实验结果验证了该控制方法的有效性.     

基于LQR的无人直升机姿态控制器设计

无人直升机控制系统是一个易受环境干扰的、各通道相互耦合的非线性系统.为了实现无人直升机能在不同环境下自主飞行,需要设计抗干扰能力强的控制器;采用系统辨识的方法得到直升机横向通道和纵向通道姿态环路的线性系统模型;根据线性最优二次型理论,对直升机横向通道和纵向通道的姿态环路设计了LQR最优控制器,使用MATIAB仿真选取最优控制器参数后,在ALIGN 700N直升机上进行了实际飞行试验,仿真和飞行试验表明,采用LQR控制技术设计的无人直升机姿态控制器具有较强的鲁棒性和实用性.     

适应扰动的无人直升机姿态跟踪控制

无人直升机在实际飞行过程中,会受到阵风等外界因素的干扰,并且模型不确定性也会对控制效果带来不利影响.为应对这些挑战,本文设计了一种基于扩张状态观测器的自抗扰反步控制器.首先,建立了无人直升机姿态动力学模型.随后,引入扩张状态观测器,用以实时观测由外界扰动和模型不确定性组成的总和扰动.观测得到的总和扰动估计值与基于Lyapunov函数的反步法控制器控制算法相结合,用以消除总和扰动的影响,使得无人直升机在各种飞行条件下均能对运动指令进行快速和准确的跟踪.最后,仿真研究和飞行实验验证了该控制律的有效性.与同等条件下的PID控制器相比,该控制律表现出更优的飞行性能.     

A Quadrotor Test Bench for Six Degree of Freedom Flight

This paper focuses on the system identification of a small unmanned helicopter in hover or low-speed flight conditions. A novel genetic algorithm including chaotic optimization operation named chaos-genetic algorithm (CGA) is proposed to identify the linear helicopter model. Based on the input-output data collected from real flight tests, the identification performance of CGA is compared with those calculated by the traditional genetic algorithm (TGA) and the prediction error method (PEM). The accuracy of the identified model is verified by simulation in time domain. Additionally, the small unmanned helicopter is stabilized by a linear quadratic Gaussian (LQG) regulator based on the proposed identified model. In the automatic flight experiments, the achievement of automatic take-off and landing, hovering performance within a 1.2?m diameter circle and point-to-point horizontal polyline flight also demonstrates the accuracy of the identified model and the effectiveness of the proposed method.     

基于双目视觉的小型无人直升机位姿检测

无人直升机的位置与姿态检测是直升机自主飞行控制的基础。基于双目视觉原理,对直升机标志点进行检测并跟踪,利用基于顺序一致性的极线约束匹配方法,对检测到的多个标志点进行立体匹配,计算标志点三维坐标从而得到无人直升机的位置与姿态信息。设计一个基于双目视觉的小型无人直升机空间位姿测量托架,用于飞行控制模型及飞行控制算法的研究及验证。     

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.     

EKF和互补滤波器在飞行姿态确定中的应用

设计了一种旋翼飞行姿态参考系统,采用基于加速度计和陀螺仪的惯性测量组合(IMU)测量飞行姿态数据。采集实测数据并运用Allan方差分析法分析其噪声特性,建立传感器模型;针对旋翼飞行器分别应用经典扩展Kalman滤波(EKF)算法和互补滤波算法进行姿态解算。在详细阐述2种算法的原理与实现的基础上,进行飞行器平台实验验证。研究结果表明2种算法均有效,且互补滤波器相对经典Kal-man滤波器更为简单、有效。     

Coordinated road-network search route planning by a team of UAVs

This paper presents a road-network search route planning algorithm by which multiple autonomous vehicles are able to efficiently visit every road identified in the map in the context of the Chinese postman problem. Since the typical Chinese postman algorithm can be applied solely to a connected road-network in which ground vehicles are involved, it is modified to be used for a general type of road map including unconnected roads as well as the operational and physical constraints of unmanned aerial vehicles (UAVs). For this, a multi-choice multi-dimensional knapsack problem is formulated to find an optimal solution minimising flight time and then solved via mixed integer linear programming. To deal with the dynamic constraints of the UAVs, the Dubins theory is used for path generation. In particular, a circular–circular–circular type of the Dubins path is exploited based on a differential geometry to guarantee that the vehicles follow the road precisely in a densely distributed road environment. Moreover, to overcome the computational burden of the multi-choice multi-dimensional knapsack algorithm, a nearest insertion and auction-based approximation algorithm is newly introduced. The properties and performance of the proposed algorithm are evaluated via numerical simulations operating on a real village map and randomly generated maps with different parameters.     

小型无人直升机模型辨识数据处理方法研究

针对小型无人直升机模型频域辨识过程中的姿态角速率测量误差,提出了一种飞行数据处理方法。该方法采用飞行试验扫频测试技术,确保激励信号能够满足不同频段下模型辨识对飞行数据的需求;设计基于有色噪声的卡尔曼滤波器以降低紊流风场对飞行测量数据的影响,同时,对飞行测量数据使用数据预处理的方法以剔除测量噪声、野值、直流成分和低频分量。在小型无人直升机系统各通道中进行验证,验证结果表明,所提出的飞行数据处理方法能够满足小型无人直升机模型辨识对姿态角速率数据精度的要求,为精确建模提供了较高质量的飞行数据。     

新型无人直升机纵横向无姿态反馈自适应控制

针对小型无人直升机固有的多轴多齿轮啮合复杂传动系统存在的非线性振动所引起的姿态测量低可靠性问题,以新型涵道风扇式无人直升机为例,提出了一种纵横向无姿态反馈的自适应控制策略.增稳回路采用模型参考自适应解耦控制,加速度回路采用自适应极点配置,位移回路采用主导极点可配置的PD控制,实现了自动航线飞行.试飞实验表明,在飞行速度变化较为显著时,偏航距较小,达到了满意的控制效果,可为无人直升机姿态传感器故障应对提供参考.     

基于2点RANSAC的无人直升机单目视觉SLAM

1点随机抽样一致性(RANSAC)算法是一种准确度高、计算量小的数据关联算法,但是其在摄像机多个轴上的角速度都快速变化时会失效,用在以无人直升机为载体的单目视觉同步定位与地图构建(SLAM)上存在滤波发散的风险.针对该问题,提出2点RANSAC算法,结合EKF运动模型的先验信息,用只抽样2个匹配点的RANSAC去除野点.在微小型无人直升机平台上进行了基于2点RANSAC算法的单目视觉SLAM实验,实验结果表明2点RANSAC算法工作可靠,SLAM的位姿估计精度可以达到自主飞行需要.