基于神经网络观测器的船舶轨迹跟踪递归滑模 动态面输出反馈控制

针对三自由度全驱动船舶速度向量不可测问题,考虑船舶模型参数和外部环境扰动均未知的情况,提出一种基于神经网络观测器的船舶轨迹跟踪递归滑模动态面输出反馈控制方法.该方法设计神经网络自适应观测器估计船舶速度向量,且利用神经网络逼近模型参数不确定项,综合考虑船舶位置和速度误差之间关系构造递归滑模面,再采用动态面控制技术设计轨迹跟踪控制律和参数自适应律,并引入低频增益学习方法消除外界扰动导致的高频振荡控制信号.选取李雅普诺夫函数证明了该控制律能够保证轨迹跟踪闭环系统内所有信号的一致最终有界性.最后,基于一艘供给船进行仿真验证,结果表明,船舶轨迹跟踪响应速度快,所设计控制器对系统模型参数摄动及外界扰动具有较强的鲁棒性.     

基于非线性增益递归滑模的船舶轨迹跟踪动态面自适应控制

针对三自由度全驱动船舶存在模型不确定和未知外部环境扰动的情况,设计出一种基于非线性增益递归滑模的船舶轨迹跟踪动态面自适应神经网络控制方法.该方法综合考虑船舶位置和速度误差之间关系设计递归滑模面,引入神经网络对船舶模型不确定部分进行逼近,设计带σ-修正泄露项的自适应律对神经网络逼近误差与外界环境扰动总和的界进行估计,并应用一种非线性增益函数构造动态面控制律,选取李雅普诺夫函数证明了该控制律能够保证轨迹跟踪闭环系统内所有信号的一致最终有界性.最后,基于一艘供给船进行仿真验证,结果表明,船舶轨迹跟踪响应速度快、精度高,所设计控制器对系统模型参数摄动及外界扰动具有较强的鲁棒性.     

输入输出受限船舶的轨迹跟踪自适应递归滑模控制

针对输入输出受限, 模型部分不确定和受到未知海洋干扰的全驱动船舶的轨迹跟踪问题, 提出一种基于时 变非对称障碍李雅普诺夫函数的最小参数自适应递归滑模控制策略. 该策略首先设计障碍李雅普诺夫函数约束船 舶轨迹在有限区域内, 利用最小参数法神经网络逼近模型不确定项, 降低系统的计算复杂度, 然后采用指令滤波器 对输入信号进行幅值约束, 同时避免对因反步法导致的微分爆炸问题, 综合考虑船舶位置以及速度误差间的关系设 计递归滑模控制律, 提高系统的鲁棒性, 采用双曲正切函数和Nussbaum函数补偿由输入饱和引起的非线性项, 提高 系统稳定性. 最后通过Lyapunov理论分析证明了全驱动船舶闭环系统中所有信号是一致最终有界的. 仿真结果表 明, 本文所设计的船舶轨迹跟踪控制方案能有效处理船舶模型不确定部分以及未知外界干扰的问题, 能够实现船舶 在输入受限的情况下在有限区域内航行并准确的跟踪期望轨迹, 具有较强的鲁棒性.     

输入受限四旋翼飞行器的模糊自适应动态面轨迹跟踪控制

针对输入受限条件下四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和未知外界干扰的情况,提出一种模糊自适应动态面轨迹跟踪控制方法.该方法设计干扰观测器估计位置模型中复合扰动项,利用模糊系统逼近姿态模型中不确定项和外界干扰,并引入双曲正切函数和辅助系统处理输入受限问题,结合反演法和动态面技术设计轨迹跟踪控制器,以降低控制算法的复杂性,最后选取李雅普诺夫函数证明闭环系统所有信号一致最终有界.应用大疆M100飞行器模型进行仿真验证,结果表明所设计的控制器能够有效处理模型动态不确定和未知外界干扰问题,避免飞行器工作过程中因输入饱和导致执行器失效现象,精确地完成轨迹跟踪控制任务.     

无人水面艇复合自适应轨迹跟踪控制

针对存在模型参数不确定性和极易受到风、浪、流等时变干扰的欠驱动无人水面艇的轨迹跟踪控制问题,根据扰动观测器能对不确定项和外界干扰进行估计和补偿且具有鲁棒性特点,提出一种基于复合扰动观测器的自适应轨迹跟踪控制。该复合自适应观测器利用跟踪误差和估计误差共同调节自适应参数,在不激励高频未建模动态的情况下,该复合自适应闭环控制系统可得到更快的收敛速度和更高的跟踪精度。理论分析和仿真实验证明了所提出的无人水面艇复合自适应控制的有效性。     

带状态观测器的船舶路径跟踪预测滑模控制

为解决具有速度不易测量、模型不确定与外界干扰的欠驱动船舶路径跟踪问题,提出一种结合线性扩张状态观测器(LESO)的滑模控制算法.首先对船舶路径进行预测,据此预测值和参考路径值计算路径未来误差,并基于Backstepping算法设计参考艏向角.其次,采用双曲正切函数设计滑模控制器,对艏向进行控制.引入LESO对外界干扰和不确定参数进行逼近,以提高控制器的鲁棒性.并利用非线性观测器和LESO对船舶纵向速度、横向速度以及转艏角速度进行估计,避免速度不易测量问题.最终的仿真结果验证了所设计控制器的有效性.     

风浪流干扰及参数不确定欠驱动船舶航迹跟踪的滑模鲁棒控制

针对欠驱动船舶的模型参数不确定和外界风浪流干扰问题,为实现水平面的航迹跟踪控制,提出了一种基于上下界的滑模控制方法.首先利用反步法将控制器的设计分解为运动学回路和动力学回路.其次,在运动学回路中为实现位置跟踪误差的收敛,根据期望航迹与当前位置信息,设计船舶的纵向与侧移参考速度,并视为镇定位置误差的虚拟控制律;在动力学回路中,将虚拟控制律作为新的跟踪目标,利用滑模方法设计实际控制律实现对参考速度的跟踪控制,最终实现了欠驱动船舶的跟踪控制.最后对有无干扰下的欠驱动船模分别进行了仿真实验,仿真结果证明了控制律的有效性.     

欠驱动手动态抓取控制的研究

基于手指动力学模型建立了速度观测器.该观测器用于欠驱动手的自适应轨迹跟踪,弥补了欠驱动手没有速度传感器的缺点,补偿了手指模型中欠驱动元件(如扭簧)造成的不确定因素.与PID和计算力矩法相比,其跟踪误差更小,动态控制效果更加理想.通过动力学模型建立了基于力的阻抗控制策略,在阻抗控制中使用速度观测器,实现了基关节的动态抓取力跟踪.动态轨迹跟踪与力跟踪相结合,使欠驱动手在抓握时具有良好的动态抓取性能.     

基于自适应滑模的欠驱动无人艇轨迹跟踪控制算法

针对欠驱动水面无人艇在航行过程中存在的海洋环境干扰、数学模型参数不确定、执行器故障等问题,提出了一种基于扰动观测器与神经网络技术的自适应滑模轨迹跟踪策略。在无人艇三自由度模型的基础上,结合视线制导率,提出了一种新的轨迹跟踪制导策略。采用自适应滑模控制技术设计了欠驱动无人艇轨迹跟踪控制器,有效地抑制了执行器衰减故障对无人艇控制系统的影响;同时运用了非线性扰动观测器和自适应径向基函数神经网络分别对无人艇受到的外界干扰和模型参数不确定性进行补偿和拟合,提高了控制系统的抗干扰能力。基于Lyapunov定理证明了所设计的控制系统的稳定性,并在MATLAB中进行了仿真测试。仿真结果表明,所提出的轨迹跟踪控制算法可以在较为复杂的环境下实现对欠驱动无人艇的精准控制;相较于对比算法,位置的平均跟踪误差减小了80%以上,具备较高的稳定性和鲁棒性。     

基于模糊不确定观测器的四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性的四旋翼飞行器,提出了一种基于模糊不确定观测器（Fuzzy uncertainty observer,FUO）的自适应动态面轨迹跟踪控制方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、姿态角和角速率三个动态子系统,使得各子系统虚拟控制器能够充分考虑欠驱动约束;采用一阶低通滤波器重构虚拟控制信号及其一阶导数,实现四旋翼跟踪控制设计的迭代解耦;设计了一种模糊不确定观测器,用以估计和补偿未知外界扰动与系统不确定性,从而确保闭环系统的稳定性和跟踪误差与其他系统信号的一致有界性.仿真研究验证了所提出的控制方法的有效性和优越性.     

Robust dynamic surface trajectory tracking control for a quadrotor UAV via extended state observer

In this paper, we present an extended state observer–based robust dynamic surface trajectory tracking controller for a quadrotor unmanned aerial vehicle subject to parametric uncertainties and external disturbances. First, the original cascaded dynamics of a quadrotor unmanned aerial vehicle is formulated in a strict form with lumped disturbances to facilitate the backstepping design. Second, based on the separate outer‐ and inner‐loop control methodologies, the extended state observers are constructed to online estimate the unmeasurable velocity states and lumped disturbances existed in translational and rotational dynamics, respectively. Third, to overcome the problem of “explosion of complexity” inherent in backstepping control, the technique of dynamic surface control is utilized for trajectory tracking and attitude stabilization, and with the velocity and disturbance estimates incorporated into the dynamic surface control, a robust dynamic surface flight controller that guarantees asymptotic tracking in the presence of lumped disturbances is synthesized. In addition, the stability analysis is given, showing that the present robust controller can ensure the ultimate boundedness of all signals in the closed‐loop system and make the tracking errors arbitrarily small. Finally, comparisons and extensive simulations under different flight scenarios are performed to validate the effectiveness and superiority of the proposed scheme in accurate tracking performance and enhanced antidisturbance capability.     

推进器饱和/故障下的无人艇固定时间指定性能容错控制

针对系统动态未知的无人艇(USV)在推进器故障与饱和约束下轨迹跟踪问题,本文提出一种基于固定时间扩张状态观测器的积分滑模容错控制方法.首先,构造固定时间扩张状态观测器,实现未知速度信息、集总未知非线性的准确估计.进而,通过引入一种新型设定时间性能函数,约束位姿跟踪误差,并利用误差转换函数将其转化为无约束误差动态系统.在此基础上,结合固定时间积分滑动模态与饱和补偿动态系统,设计固定时间控制策略,保证系统实际固定时间稳定且位姿跟踪误差严格位于指定范围内.最后,仿真验证所提出控制方法的有效性与优越性.     

四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性集总未知非线性的四旋翼飞行器,提出了一种采用自适应不确定性补偿器的自适应动态面轨迹跟踪方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、欧拉角和角速率3个动态子系统,使各子系统虚拟控制器设计能充分考虑欠驱动约束;结合动态面控制技术,通过采用一阶低通滤波器,避免对虚拟控制信号求导;进而设计自适应不确定性补偿器,处理未知外界扰动和系统不确定性,最终确保闭环控制系统的稳定性、跟踪误差一致最终有界和系统所有状态信号有界.仿真研究和实验结果验证了本文提出控制方法的有效性和优越性.     

多自主船协同路径跟踪的自适应动态面控制

为实现多自主船含模型不确定与未知风浪流干扰下的协同路径跟踪控制,提出了一种基于神经网络自适应动态面控制的协同路径跟踪算法.该算法采用单隐层(SHL)神经网络逼近模型不确定性以及海洋环境干扰,所引入的动态面设计技术显著降低了控制算法的复杂性.同时将网络通信约束考虑在内,通过设计分散式协同控制律有效地降低了信息通讯量.Lyapunov稳定性分析证明了闭环系统所有的状态和信号是有界的,并且通过选择合适的设计参数可使跟踪误差为任意小.对比仿真结果验证了所提方法的有效性.