接近非合作目标的部分状态反馈姿轨联合控制

飞行器在轨精度跟踪优化问题,根据在轨服务任务需求,针对非合作翻滚目标航天器的自主接近跟踪问题,首先从采用视线坐标系表示的轨道动力学方程和修正罗德里格斯参数表示的姿态动力学方程出发,建立了航天器六自由度类拉格朗日动力学方程;然后仅利用相对位置和相对姿态反馈信息并针对航天器惯性参数不确定性,采用自适应非线性输出反馈控制和神经网络逼近控制方法设计了姿轨联合控制器,并通过Lyapunov直接法证明了该闭环系统的全局渐进稳定性;最后通过仿真验证了采用的方法能够实现对非合作目标的精确跟踪.     

逼近与跟踪空间翻滚目标的图像视觉伺服控制

在空间翻滚目标的最终逼近与跟踪任务段,追踪星对目标星的视觉相对导航会因进入盲区而失效,而基于间接相对导航的位置视觉伺服控制精度太差.针对该问题,基于图像视觉伺服思想,直接利用目标图像特征点坐标,建立了超近距离姿轨跟踪的成像运动模型,推导得到指数收敛的图像视觉伺服期望广义速度、相对位置估计修正量,进而引入基于双滑模面控制律的相对姿轨耦合控制闭环,从而提出了间接估计辅助的图像视觉伺服控制方法.数学仿真结果表明:该方法的相对位置和姿态控制精度显著提高,可为空间翻滚目标最终逼近与跟踪任务提供安全、准确、稳定的相对姿态和轨道条件.     

跟踪空间非合作目标的一种相对轨道确定方法研究

利用追踪星对空间非合作目标进行自主跟踪飞行具有重要的工程意义，本文针对追踪星沿航向对空间非合作目标跟踪飞行的情况，基于相对距离、方位角和俯仰角等星间测量信息，提出一种新的跟踪空间非合作目标的相对轨道确定方法。首先从轨道运动学方程出发，给出以追踪星与非合作目标之间轨道根数差分表述的卫星相对运动方程，其次根据星间测量几何关系对应的测量方程，利用两步估计方法得出二者之间的轨道根数差分，从而实现相对轨道确定。最后通过数学仿真进行了验证。     

四旋翼自主飞行与轨迹跟踪控制

研究四旋翼自主飞行控制和轨迹跟踪控制。建立四旋翼动力学模型,通过实验测量与曲线拟合测得旋翼升力和力矩系数。在姿态控制中引入加速度反馈控制,增加闭环零点提升系统稳定和快速跟踪能力,抵消不确定干扰影响。提出一种基于切向速度和法向位置误差反馈控制的轨迹跟踪控制策略,对设定轨迹进行分段逼近跟踪,通过室外轨迹跟踪飞行试验,验证控制策略设计的有效性。     

基于运动控制和频域分析的移动机器人能耗最优轨迹规划

本文针对两轮自平衡可移动机器人, 提出了一种新的能耗最优运动轨迹规划方法.本文将轨迹规划与由轨迹跟踪控制器和机器人动力学方程组成的运动控制模型相结合, 基于期望轨迹与实际电机输入电压间的传递函数和能量在时域和频域上的对应关系, 通过频域分析的方法得到了具有明确机理表达的线性能耗模型, 并采用最小二乘线性回归法对模型参数进行辨识.对于能耗最优轨迹, 由全局路径规划得到的路径点作为局部轨迹规划的局部目标点, 通过一定的数学转换和参数求导, 可直接得到相邻两个局部目标点间的能耗最优运行轨迹和对应的运行时间.通过仿真实验证明了本文所提能耗模型的准确性和所得轨迹的能耗最优性.     

基于行为动力学方法的移动机器人轨迹追踪

研究了基于行为动力学方法的移动机器人轨迹追踪。在总结行为动力学理论的基础上,根据轨迹追踪任务要求,确定航向角和速度作为行为变量,同时构建了接近吸引子动力学方程,并在考虑机器人与路径期望点之间距离这一间接耦合参数基础上,建立了速度动力学方程,并分析了该动力系统的收敛性。最后的仿真结果表明该方法正确、可行,且机器人能有效地完成追踪任务。     

高精度星载点目标轨迹跟踪系统设计

一种高精度星载点目标轨迹跟踪系统,利用拟合点目标轨迹曲线的方法将点目标位置数据简化成多项式系数的数据包,由地面测控系统发送至星上遥感器指向控制单元。指向控制单元与时间管理单元解析数据包中时间参数与系数参数,控制指向镜机构进行运动,对点目标轨迹进行自主跟踪。此方法提高了跟踪系统的跟踪精度,减轻了目标跟踪时总线通信压力。经过试验验证,系统的跟踪精度远优于传统的目标跟踪方法,可进行推广使用。     

旋转目标的多星协同近距离姿轨耦合控制

针对多星快速绕飞与同步逼近吸附旋转目标的近距离协同操作任务,首先,考虑旋转目标、观测星和逼近星的大小及形状,基于相对轨道和相对姿态动力学模型,分析设计了适用于空间任意方位的期望绕飞平面和期望姿态指向:观测星期望姿态保持观测设备始终指向旋转目标,逼近星期望姿态保持与目标星姿态同步;然后,考虑碰撞规避,推导了基于误差四元数和误差角速度反馈的比例-微分控制律以及一种基于人工势场法的近距离安全制导控制方法,通过二者相结合对相对姿态及相对轨道进行控制;最后,通过3星观测、2星逼近的近距离操作问题对提出的方法进行测试.仿真结果表明,3颗观测星均能够成功躲避其它卫星碰撞,并沿着期望的轨道运行,2颗逼近星能够同时安全逼近,并吸附到目标表面设定位置,观测星和逼近星实际姿态均能快速收敛到期望值,验证了提出控制方法的有效性.     

基于再生核理论的月球车轨迹跟踪控制*

针对平整坡面上行驶的月球车,研究了基于再生核理论的月球车轨迹跟踪控制新方法.它是基于描述月球车运动的动力学模型方程,对有限时间内的期望轨迹进行采样;利用再生核方法,数值求解控制参数,从而实现月球车期望轨迹的跟踪控制.该方法计算量小、方法简单、精度高,且可实现任意的非线性曲线的期望轨迹追踪.数值实验验证了该方法的正确性和有效性.     

编队航天器构型重构过程中的期望轨迹跟踪控制

针对编队航天器构型重构过程中期望轨迹跟踪控制问题,推导了参考模型输出跟踪控制律,给出了控制律求解方法;应用多项式插值原理给出了直线逼近、定点悬停以及快速绕飞等典型飞行模式下期望轨迹的数学描述;将航天器轨道相对动力学方程作为被控对象,将期望轨迹的数学描述作为参考模型,设计了一种将被控对象的状态反馈和参考模型的状态前馈结合的组合控制器.数值仿真验证表明该控制器性能优良,误差收敛快,跟踪精度高,具有一定的理论研究价值,同时对工程实际也具有指导意义.     

基于立体视觉的非合作航天器相对导航

非合作航天器其没有可交互的传感器,传统的相对导航方法难以满足精度要求。根据非合作航天器相对导航特点,提出一种基于立体视觉的空间非合作目标相对导航算法。方法使用安装在追踪航天器上的立体视觉相机作为测量传感器,实现目标在追踪航天器体坐标系下相对位置的测量。在惯性坐标系下建立航天器相对运动方程,并离散化作为系统的状态方程,利用立体视觉的测量信息作为量测值,在此基础上设计基于卡尔曼滤波(Kalman filter)的两步滤波相对导航算法,实现航天器间相对导航状态的实时估计,仿真结果显示算法实时性、有效性,导航方法收敛速度较快,精度高,满足相对导航要求。     

Online optimal tracking control of continuous-time linear systems with unknown dynamics by using adaptive dynamic programming

In this paper, a novel theoretic formulation based on adaptive dynamic programming (ADP) is developed to solve online the optimal tracking problem of the continuous-time linear system with unknown dynamics. First, the original system dynamics and the reference trajectory dynamics are transformed into an augmented system. Then, under the same performance index with the original system dynamics, an augmented algebraic Riccati equation is derived. Furthermore, the solutions for the optimal control problem of the augmented system are proven to be equal to the standard solutions for the optimal tracking problem of the original system dynamics. Moreover, a new online algorithm based on the ADP technique is presented to solve the optimal tracking problem of the linear system with unknown system dynamics. Finally, simulation results are given to verify the effectiveness of the theoretic results.     

欠约束多机器人并联协调吊运系统运动控制

针对吊运过程中如何协调控制各机器人以实现负载高精度快速运动问题,采用了一种基于动力学模型前馈补偿+PD反馈的欠约束多机并联协调吊运系统轨迹跟踪控制方法。利用位置几何关系进行了逆运动学分析,并采用拉格朗日方程建立了系统的逆动力学模型。考虑到模型不确定性及外界扰动,采用前馈补偿+PD反馈控制方法进行轨迹跟踪控制。为了使被吊运物的轨迹跟踪控制更加快速准确,采用遗传算法对PD参数进行优化。理论分析和数值仿真结果表明,控制方法实现简单,能够快速有效地跟踪被吊运物的运动轨迹,满足被吊运物轨迹跟踪精度的要求。     

A study on optimal motion of a biped locomotion machine

In this paper we propose a calculation method for the optimal trajectory of a biped locomotion machine which is based on inverse kinematics and inverse dynamics. First, the trajectory of the waist is expressed by a Fourier series, where the bases are selected appropriately so that the periodic boundary conditions are strictly satisfied. A biped locomotion machine establishes optimal walking by using kicking forces to the ground at the moment of switching legs. In order to include the effecs of the kicking forces, additional terms that indicate the impulsive forces at the moment of switching legs are included in the formulation. Then the angles of each joint are determined by inverse kinematics, and using inverse dynamics, the input torques of each joint are expressed in terms of Fourier coefficients. By defining the performance index as a quadratic form of the input torques, the motion planning problem is formulated as an optimization problem of the trajectory of the waist, whose paramaters are Fourier coefficients of the trajactory of the waist. Using the successive quadratic programming (SQP) method, the optimal trajectory of a biped locomotion machine is obtained. This work was presented, in part, at the Third International Symposium on Artificial Life and Robotics, Oita, Japan, January 19–21, 1998.     

A novel trajectory planning strategy for aircraft emergency landing using Gauss pseudospectral method

To improve the survivability during an emergency situation, an algorithm for aircraft forced landing trajectory planning is proposed. The method integrates damaged aircraft modelling and trajectory planning into an optimal control framework, in order to deal with the complex aircraft flight dynamics, a solving strategy based on Gauss pseudospetral method （GPM） is presented. A 3-DOF nonlinear mass-point model taking into account the wind is developed to approximate the aircraft flight dynamics after loss of thrust. The solution minimizes the forced landing duration, with respect to the constraints that translate the changed dynamics, flight envelope limitation and operational safety requirements. The GPM is used to convert the trajectory planning problem to a nonlinear programming problem （NLP）, which is solved by sequential quadratic programming algorithm. Simulation results show that the proposed algorithm can generate the minimum-time forced landing trajectory in event of engine-out with high efficiency and precision.     

自动化控制下机械手臂运动轨迹研究

对机械手臂运动轨迹进行优化控制,能改善机械手臂的自动控制性能。为了提高机械臂的控制稳健性,提出一种基于变结构模糊PID控制的机械手臂运动轨迹优化控制模型。首先采用末端效应逆运动学模型构建机械手臂的运动规划约束参量数学模型,采用七自由度运动空间重构方法建立机械手臂运动的动力学方程。然后通过纵向定常运动,分析建立机械手臂整定控制目标函数,求解机械臂在抓取作业过程中的最佳导引控制律,采用变结构模糊PID控制方法进行运动轨迹的误差修正,实现机械臂自动控制优化。最后通过仿真实验进行控制性能测试,结果表明,采用该方法进行机械手臂运动轨迹控制的精度较高,对机械臂位形变化轨迹的预测准确性较好。     

Robust adaptive backstepping control for autonomous spacecraft proximity maneuvers

The control problem of autonomous proximity phase during rendezvous and docking is studied for a chaser spacecraft subject to parametric uncertainty and unknown external disturbance approaching to a tumbling non-cooperative space target. A coupled relative motion model is established for the autonomous spacecraft proximity missions based on the relative motion information and chaser’s motion information. Based on the cascaded structure of the six degrees-of-freedom coupled model, the backstepping technology combined with element-wise and norm-wise adaptive control methods is used to design a relative position controller firstly, then the same method is also applied to the design of the relative attitude controller. Asymptotic stability is proven uniformly for the six degrees-of-freedom closed-loop system, and the performance of the controlled overall system is demonstrated via a representative numerical example.     

基于自适应动态规划的移动装弹机械臂轨迹控制

针对移动装弹机械臂系统非线性、强耦合、受多种不确定因素影响的问题,本文基于自适应动态规划方法,提出了仅包含评价网络结构的轨迹跟踪控制方法,有效减小了系统跟踪误差.首先,考虑到系统非线性特性、变量间强耦合作用及重力因素的影响,通过拉格朗日方程建立了移动装弹机械臂的动力学模型.其次,针对系统存在不确定性上界未知的问题,建立单网络评价结构,通过策略迭代算法,求解哈密顿–雅可比–贝尔曼方程,基于李雅普诺夫稳定性理论,设计了自适应动态规划轨迹跟踪控制方法.最后,通过仿真实验将该控制方法与自适应滑模控制方法进行了对比,进一步检验了所设计控制方法的有效性.     

Novel integrated optimization algorithm for trajectory planning of robot manipulators based on integrated evolutionary programming

Optimal trajectory plarmmg for robot manipulators plays an important role in implementing the high productivity for robots. The performance indexes used in optimal trajectory planning are classified into two roam categories:optimum traveling time and optimum mechanical energy of the actuators. The current trajectory planning algorithms are designed based on one of the above two performance indexes. So far, there have been few planning algorithms designed to satisfy two performance indexes simultaneously. On the other hand, some deficiencies arise in the existing integrated optimization algorithms of trajectory planning.In order to overcome those deficiencies, the integrated optimization algorithms of trajectory planning are presented based on the complete analysis for trajectory planning of robot manipulators. In the algorithm, two object functiom are designed based on the specific weight coefficient method and “ideal point” strategy. Moreover, based on the features of optimization problem, the intensified evolutionary programming is proposed to solve the corresponding optimization model. Especially, for the Stanford Robot, the high-quality solutions are found at a lower cost.     

基于交互车辆轨迹预测的自动驾驶车辆轨迹规划

针对城市道路等复杂行车场景,提出了一种基于交互车辆轨迹预测的自动驾驶车辆轨迹规划方法,将高维度的轨迹规划解耦为低维度的路径规划和速度规划;首先,采用五次多项式曲线和碰撞剩余时间规划车辆行驶路径;其次,在社会生成对抗网络Social-GAN的基础上结合车辆空间影响和注意力机制对交互车辆进行轨迹预测;然后,结合主车规划路径、交互车辆预测轨迹及碰撞判定模型得到主车S-T图,采用动态规划和数值优化方法求解S-T图,从而得到满足车辆动力学约束的安全、舒适最优速度曲线;最后,搭建PreScan-CarSim-Matlab&Simulink-Python联合仿真模型进行实验验证。仿真结果表明,提出的轨迹规划方法能够在对交互车辆有效避撞的前提下,保证车辆行驶的舒适性和高效性。