无人机空中加油自主会合控制器设计

针对自主空中加油中的飞行器会合问题,提出一个完整的自主控制方案,以使无人机在无加油机主动配合情况下具备自主会合能力.通过改进带终端碰撞角约束的比例导引律,将期望的会合点作为跟踪目标,实现终端航向的控制.为了满足会合对无人机机动性能的要求,使用Backstepping方法设计控制律,在保证无人机稳定性的基础上,实现了制导信号的精确跟踪.仿真结果验证了所提出控制方案的有效性.     

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.     

基于分数阶滑模控制的无人机轨迹跟踪控制器设计

四旋翼无人机在农业、工业和国防等领域广泛应用,但其复杂的系统特性和对扰动的敏感性使得控制变得困难。首先,考虑分数阶方法具有良好的鲁棒性以及调节灵活性的优点,将整数阶积分滑模面和改进的分数阶指数趋近律相结合,设计出了一种新的分数阶积分滑模控制器。然后,将所设计的分数阶积分滑模控制器应用于四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题。仿真结果表明,所提控制器作用下的四旋翼无人机进行轨迹跟踪时响应速度快、无超调,且对外界干扰具有较强的鲁棒性。     

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.     

非匹配不确定MIMO系统的分数阶终端滑模控制

针对一类非匹配不确定多输入多输出(Multi-input multi-output, MIMO)系统提出一种分数阶终端滑模控制(Fractional-order terminal sliding-mode, FOTSM)策略, 使系统输出收敛到零而非其邻域. 该方法解除传统反步法控制律设计中, 虚拟控制增益右伪逆矩阵必须存在的严苛限制; 对系统不确定性的假设不局限于慢时变和H2范数有界型扰动, 分析控制增益存在摄动情况下系统的控制问题. 分数阶终端滑模面及其控制律的设计使得虚拟和实际控制信号连续, 削弱抖振现象, 利用自适应滑模切换增益技术解决由控制增益矩阵摄动引起的代数环问题. 最后, 仿真分析验证所提方法的正确性和优越性.     

分数阶微积分在滑模控制中的应用研究

针对滑模控制所存在的抖振问题以及趋近问题,将分数阶微积分理论与滑模控制策略的优点相互结合,提出一种有效的分数阶趋近律.在控制器的设计过程中,将分数阶微积分引入到滑模控制中提出分数阶趋近律,并运用Lyapunov理论进行证明,从而确保系统的稳定性.将提出的控制方法应用于二关节机械臂上,进行仿真验证.结果表明:所提出的分数...     

基于分数阶滑模控制技术的永磁同步电机控制

针对传统整数阶滑模控制系统中存在的抖震问题,本文提出了分数阶滑模控制策略并应用到永磁同步电机的速度控制.传统滑模控制器中的开关函数由作用在切换流型或其整数阶导数面推广到其分数阶导数面,利用分数阶系统的特性,缓慢地传递系统的能量,有效地削减抖震.本文采用模糊逻辑推理算法,实现软开关切换增益的自整定.仿真和实验证明,本文提出的分数阶滑模控制系统不但能有效地削减抖震,而且能保持滑模控制器对系统参数变化和外部扰动的鲁棒性.     

分数阶混沌系统的主动滑模同步

结合主动控制和滑模控制原理,提出了一个同步分数阶混沌系统的主动滑模控制方法.该方法首先用分数阶积分对所有维状态分量设计一个滑模面,分数阶混沌系统在该滑模面上稳定.然后采用极点配置的方法获得主动滑模控制器中的增益矩阵.应用Lyapunov稳定性理论、分数阶系统稳定理论对所提的控制器的存在性和稳定性分别进行了分析.对分数阶Lorenz系统进行数值仿真,仿真结果验证了该方法的有效性.     

永磁同步电机伺服系统模糊分数阶滑模控制

针对传统整数阶滑模控制系统中的抖震问题,结合分数阶理论、模糊逻辑推理和滑模控制技术的优点,提出了模糊分数阶滑模控制策略.将传统滑模控制器中的整数阶切换面推广到分数阶并设计了全控制域滑模面,保证系统在整个控制域都具有较强的鲁棒性.采用模糊逻辑推理算法,实现了开关切换增益的自整定.仿真和实验验证了模糊分数阶滑模控制系统不但能有效地削减抖震,而且能保持滑模控制器对系统外部扰动的全局鲁棒性.     

自主空中加油时变质量无人作战飞机非线性控制

针对自主空中加油中无人作战飞机(UCAV)位置保持问题, 进行了时变质量UCAV的动力学建模与非线性控制设计. 综合考虑了燃油传输对UCAV的质量、惯性矩阵和质心位置的影响, 基于相对于惯性系的状态变量, 推导了UCAV时变质量动力学方程. 通过引入谱半径, 将局部化自适应边界指令滤波反推方法应用于UCAV的位置保持控制. 使用逼近器对未知模型不确定性进行在线逼近. 对于固有逼近误差和外部扰动, 采用局部化自适应边界进行补偿. 通过指令滤波反推, 设计了相对位置、速度、姿态角和角速度四个反馈回路来保证UCAV的稳定性. 最后, 三种不同加油方案下的非线性仿真验证了非线性飞行控制律的有效性.     

小型四旋翼无人机建模与有限时间控制

本文首先介绍了一种小型四旋翼无人机的设计过程,从机架设计、动力匹配、机载控制器、传感器、无线通信等多个方面进行了较为详尽的阐述.采用牛顿―欧拉法对四旋翼无人机进行动力学分析,完成了六自由度数学模型的推导.进一步对系统的模型参数进行了测量和计算,并给出了结果.在此基础上,为了满足无人机快速跟踪性能的要求,本文基于快速终端滑模的思想,进行了闭环控制器的设计,并给出了基于Lyapunov函数的稳定性证明.控制器采用分环控制的结构形式,内环为姿态控制,外环为位置控制.最后结合设计的四旋翼无人机,给出的仿真结果验证了控制算法的有效性.     

Automatic terminal guidance for small fixed-wing unmanned aerial vehicles

The research presented in this article focuses on expanding and deepening the prior research of a low-cost terminal guidance system in a previous paper entitled “Design, implementation and verification of a low-cost terminal guidance system for small fixed-wing UAVs.” An automatic terminal guidance workflow is specially designed for an individual in a small fixed-wing unmanned aerial vehicle (SUAV) swarm. The extended work around the proposed workflow primarily involves upgrading onboard hardware modules to improve sensor accuracy and environmental adaptability, the imaging performance of the seeker, as well as the computational capability of the image processor, applying object detection to replace the human-in-the-loop function and adopting the integral proportional guidance law in the vertical direction to reduce the required overload and obtain a larger impact angle. Furthermore, we conducted several field tests on two types of SUAV against a stationary target on the ground in a field scenario. The experiments have generated valuable onboard image data and SUAV status information, all of which are aligned in the time domain. The only remaining data sets that support the findings of this study are available from the corresponding author. Our study into automatic terminal guidance has yielded a solution of the automatic strap-down monocular terminal guidance problem of individual SUAVs. The field trials of a single SUAV demonstrate the robustness and efficiency of the proposed automatic terminal guidance methodology and lays a foundation for the future SUAVs' cooperative attack test.     

四旋翼飞行器的自抗扰飞行控制方法

针对四旋翼飞行器参数不确定性和外部干扰敏感的问题,本文提出一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法.在为期望姿态和高度安排过渡过程的基础上,设计了扩张状态观测器对内扰和外扰进行估计并实时补偿,能够很好地克服飞行器的强耦合性、模型不确定性以及风速变化等外部干扰问题.此外本文还设计了非线性状态误差反馈控制律来有效抑制跟踪误差.在仿真平台上对自抗扰控制系统进行稳定控制、姿态跟踪、高度控制、抗扰性及鲁棒性实验,并与串级PID控制系统进行定量对比分析.仿真结果表明,本文所设计的自抗扰控制器不仅能够很好地估计并补偿系统所受内外部干扰,而且对四旋翼飞行器参数的不确定性具有较强的鲁棒性,能够满足飞行器姿态调节快速和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于串级PID控制器.     

基于L1自适应的自动空中加油对接段飞行控制技术

在自动空中加油(AAR,automated aerialre fueling)对接过程中,加油机后方拖出的加油软管锥套受到加油机和受油机的双重气动干扰,呈现不规则摆动运动,受油机要实现与加油锥套的精确对接,要求其飞行控制系统具有鲁棒性和快速的自适应能力,为此提出采用自适应控制器方案,该方案以线性二次调节器(linear quadraticregulator,LQR)比例积分型控制器作为稳定闭环,在此基础上加入自适应控制器,仿真结果表明,采用自适应控制器的受油机自动空中加油飞行控制系统可以实现规定时间内的精确加油对接,既满足瞬态性能要求,又满足稳态精度要求,同时,还解决了由自适应参数跳动带来的舵机操纵过于频繁的问题.该方法可有效提高对接过程中受油机飞行控制系统的抗干扰能力,能够满足自动空中加油对接段的飞行控制要求.     

无人机载荷航拍控制系统设计

针对无人机(UAV)遥感航拍过程中相机载荷参数自动化控制与飞行航迹实时跟踪的问题,提出一种能自动完成相机载荷控制与航拍控制的设计方案.首先,系统根据实验要求实时获取所在地理位置信息及环境预判信息,再根据相机控制参数表进行参数编码;然后,通过通信口发送自定义协议指令集给硬件控制电路,完成相机载荷参数设置并进行拍摄,同时航迹规划软件实时记录飞行轨迹地理坐标信息.系统设计使硬件控制平台和软件数据处理相结合,实现软硬协同控制.经无人机飞行验证,与单一参数航拍控制模式相比,该系统能根据不同的拍摄环境和拍摄场景进行相机参数的自动化控制与飞行轨迹实施跟踪.     

一类带有加速度约束的非线性系统最优滑模控制

针对加速度受约束的非线性时变系统,设计了一种全局最优滑模控制算法.首先引入全程滑态因子,保证滑模面一开始就在零值附近,然后选取位置跟踪误差绝对值的积分为指标函数,通过求解该指标函数的最小值来确定滑模面方程的相关参数,最后设计了基于指数趋近律的滑模控制算法.仿真结果表明了该方法的有效性和强鲁棒性.