一种直接基于摆角约束的欠驱动桥式吊车轨迹规划方法

针对非线性桥式吊车系统,本文提出了一种新颖的基于摆角约束的轨迹规划方法.为了提高运送过程的效率和安全性,论文设计了期望轨迹以实现如下优点: 1)使台车很快到达目标位置; 2)将负载摆角抑制到可接受的范围之内; 3)当负载在目标位置停止时无残余摆动.具体而言,所设计的轨迹由三个阶段构成,每一阶段均根据抗摆和零残余摆角的要求来构造摆角曲线,在此基础上,利用桥式吊车的非线性运动学方程分析得到台车轨迹.论文引入了一种优化机制对运送时间,最大摆角等指标进行折衷考虑.文中通过仿真和实验结果表明了所设计的直接基于摆角约束的轨迹规划方法的性能.     

小型四旋翼无人机双闭环轨迹跟踪与控制

近年来, 无人飞行器控制繁荣发展对控制精度与品质要求日益增高. 为了应对这一挑战, 本文基于奇异摄 动的思想设计了四旋翼无人机非线性轨迹跟踪控制器. 首先, 基于牛顿欧拉定律建立了四旋翼无人飞行器非线性 奇异摄动形式的数学模型. 然后, 引入奇异摄动理论, 通过时间尺度分解的方法将系统解耦成内环快子系统和外环 慢子系统. 再者, 根据非线性动态逆的思想分别建立快、慢伪线性子系统, 并基于此分别设计外环轨迹跟踪、内环稳 定子控制器, 综合子控制器生成应用于原系统的全阶控制器以兼顾跟踪精度和鲁棒特性. 针对内环快系统, 采用线 性二次调节控制器以实现稳定快速地控制飞行器旋转动态; 针对外环慢系统, 运用经典的比例–微分–积分控制器 以跟踪所给定的轨迹. 最后给出了仿真实例说明本文结论的有效性.     

小型四旋翼无人机双闭环轨迹跟踪与控制（英文）

近年来,无人飞行器控制繁荣发展对控制精度与品质要求日益增高.为了应对这一挑战,本文基于奇异摄动的思想设计了四旋翼无人机非线性轨迹跟踪控制器.首先,基于牛顿欧拉定律建立了四旋翼无人飞行器非线性奇异摄动形式的数学模型.然后,引入奇异摄动理论,通过时间尺度分解的方法将系统解耦成内环快子系统和外环慢子系统.再者,根据非线性动态逆的思想分别建立快、慢伪线性子系统,并基于此分别设计外环轨迹跟踪、内环稳定子控制器,综合子控制器生成应用于原系统的全阶控制器以兼顾跟踪精度和鲁棒特性.针对内环快系统,采用线性二次调节控制器以实现稳定快速地控制飞行器旋转动态;针对外环慢系统,运用经典的比例–微分–积分控制器以跟踪所给定的轨迹.最后给出了仿真实例说明本文结论的有效性.     

面向多无人飞行器的有界跟踪控制方法的设计与验证

针对多无人机跟踪轨迹时的控制问题和安全问题,本文提出了一种四旋翼无人飞行器的有界跟踪控制方法.该方法能够保证多台无人机在进行轨迹跟踪的同时将自身运动限制在指定范围内.本文通过能量分析的方法设计了具体形式的控制器,并基于Lyapunov稳定性分析证明了系统误差的有界和收敛特性.在此基础上,通过设计和搭建室内多无人飞行器实验平台,完成了多无人飞行器实时轨迹跟踪的实验,验证了该控制器的实际性能.实验结论表明,无人飞行器的有界跟踪方法不但拥有良好的动态特性,而且能够有效地避免无人飞行器越过安全边界造成碰撞等问题,具有较好的安全性和鲁棒性.     

基于加速度补偿的无人机吊挂飞行抗摆控制

为了抑制四旋翼无人机（UAV）吊挂飞行中的载荷摆动,研究了一种新的基于加速度补偿的抗摆控制方法。首先,基于拉格朗日法建立了四旋翼UAV吊挂系统的非线性动态特性方程,并构建了能量函数来设计飞行控制系统,使四旋翼UAV跟踪参考轨迹;然后,利用吊挂载荷运动轨迹广义误差设计抗摆控制器,对四旋翼UAV进行加速度补偿以修正UAV的运动轨迹,进而抑制因四旋翼UAV快速运动造成的吊挂载荷摆动;最后,通过仿真对加速度补偿前后的UAV吊挂飞行控制效果进行对比分析。仿真结果表明,基于加速度补偿的飞行控制方法不仅能保证UAV吊挂飞行的平稳,而且能为飞行控制系统提供足够的稳定裕度。     

四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪与滑模事件驱动控制

四旋翼飞行器作为一个典型的欠驱动的系统,具有强耦合、非线性等特性.针对飞行器外部干扰、和通信资源受限条件下的轨迹跟踪控制问题,进行滑模事件驱动控制方法的研究.首先,分析动力学特性,通过时间尺度分解方法将系统解耦成位置子系统和姿态子系统.其次,将位置子系统转化为严格反馈形式,设计反步滑模控制器,实现位置轨迹稳定跟踪;针对姿态子系统存在时变有界扰动及通信受限,设计滑模事件驱动控制律,在抑制干扰的同时实现对虚拟姿态跟踪指令的跟踪.根据Lyapunov分析方法证明了所设计控制器的稳定性,并通过理论分析证明闭环控制系统不会出现Zeno现象.最后,仿真结果验证了滑模事件驱动控制律在存在外部扰动和通信受限时四旋翼无人飞行器轨迹跟踪的鲁棒性.     

基于非线性制导的四旋翼轨迹跟踪控制

四旋翼是一种欠驱动、强耦合的可垂直起降的飞行器,为了实现其能够以设定速度跟踪空间轨迹,设计了一种基于非线性制导算法的轨迹跟踪控制方法。该方法分为了导引与控制两部分组成,导引部分以任务轨迹与期望速度为输入量通过非线性制导算法输出当前四旋翼的期望加速度,控制部分以得到的期望加速度为输入量采用串级PID算法对四旋翼进行姿态控制,从而实现四旋翼保持设定速度对任务轨迹的跟踪。仿真结果表明,所提方法能够实现四旋翼对复杂任务轨迹的精确跟踪,二维复杂轨迹跟踪距离偏差不超过±0.6m,速度偏差不超过2m/s;三维复杂轨迹除了受自身控制力限制的飞行段外,跟踪距离偏差基本控制在±4m以内,速度偏差不超过2m/s。     

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RFID技术的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统设计

为促进四旋翼无人机的飞行自主性,增强无人监管情况下飞行器主机所具备的避障行进能力,设计基于RFID技术的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统;采用RFID标签识别技术,调制处理既定控制信号,利用标签识别协议,连接微型四旋翼轨迹控制器与内环姿态控制器,通过数据通信链路,提取轨迹跟踪控制所需的传输电子量,完成轨迹跟踪控制系统硬件设计;利用动力系统中的参数辨识策略,确定与轨迹姿态控制相关的物理规律标注,实现四旋翼无人机轨迹跟踪控制;实验结果表明,与机器视觉型控制系统相比,基于RFID技术的控制系统的SSI避障行进指标数值相对较高,全局最大值达到了 79％,四旋翼无人机滚转角平均值为85°,能够有效抑制四旋翼无人机滚转角的数值上升趋势,增强无人监管情况下飞行器主机避障行进能力.     

基于事件驱动的无人机吊挂系统在线自适应轨迹规划

本文针对四旋翼无人机吊挂系统空运过程中负载摆角的非线性最优调节问题, 提出了一种基于事件驱动的在线自适应轨迹规划策略. 在事件驱动的自适应评价网框架下, 利用神经网络的逼近学习能力得到吊挂负载摆动抑制的折现最优控制律. 同时结合该控制律进一步规划四旋翼无人机的飞行轨迹, 实现了对无人机位置的精确调节和吊挂负载摆动的快速抑制, 并且显著降低了无人机机载处理器的计算负担. 然后采用基于Lyapunov稳定性的分析方法, 证明了神经网络输出权值估计误差一致最终有界, 并证明了无人机位置跟踪误差和吊挂负载摆动运动的收敛. 最后, 通过飞行对比实验验证了所提出的轨迹规划策略的有效性.     

基于固定时间扰动观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对六自由度小型四旋翼无人机在轨迹跟踪控制过程中,单一控制器构成的控制系统存在外部未知干扰,系统的鲁棒性以及轨迹跟踪精度容易产生较大的波动问题,该文章提出了一种基于固定时间扰动观测器的全闭环控制方案,即针对位置与姿态的双闭环控制;首先利用固定时间理论设计了两个扰动观测器,在固定时间内对扰动做出估计并进行补偿;在此观测器对扰动值的精确估计基础之上,设计了两个具有扰动补偿能力的非线性跟踪控制器;李雅普诺夫稳定性理论证明了所述方法的有效性;仿真实验中,为对比所述控制方法的有效性,同时采用传统单一控制器构成的无人机控制系统进行对比分析;在无人机质量为m=1.44 kg、环境重力加速度为g=9.8 m/s2以及其他模型参数一致的前提下,进行大量的仿真实验验证了所提出的基于固定时间扰动观测器的扰动补偿控制系统,能够保证小型四旋翼无人机六自由度受到复杂外部干扰时准确估计出外部干扰值,并实现无人机进行高精度轨迹跟踪控制,且轨迹跟踪精度与抗扰性能皆优于传统单一控制器构成的无人机控制系统.     

四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统

为了便于对四旋翼无人机控制算法进行实验仿真和验证,联合Solidworks和Matlab/SimMechanics工具箱设计了一种四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统;利用Solidworks搭建了四旋翼无人机三维实体模型,并通过Solidworks和Matlab转换接口将该实体模型导入到Matlab/SimMechanics中;Matlab/SimMechanics提供了了三维可视化窗口,可以显示无人机的实时仿真状态;仿真平台在Matlab/SimMechanics环境中实现,与Matlab/Simulink通信方便,可方便的将Simulink设计好的控制算法添加到仿真系统中,以进行验证和参数整定,还具有姿态分析和数据分析等功能;轨迹跟踪仿真结果表明,四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统直观可视,准确可靠,能较好地对控制算法进行研究和测试,对四旋翼无人机以及控制算法的研究和开发具有重要价值。     

无人机吊挂飞行的非线性控制方法设计

针对四旋翼无人机吊挂飞行系统,本文设计了一种新型控制策略.本文首先建立了四旋翼无人机吊挂系统的数学模型.其中负载被看作由刚性绳悬挂在四旋翼无人机重心位置的质点.之后本文通过能量分析的方法设计了针对此系统的非线性控制器.本文提出的控制方法可以在抑制吊挂负载摆动的同时将四旋翼无人机移动到目标位置.本文运用李雅普诺夫稳定性分析和拉塞尔不变性原理对闭环系统的稳定性进行了证明.最后,通过数值仿真,分别将本控制器镇定控制和调节控制的控制效果与线性二次调节器(linear-quadratic regulator,LQR)控制器进行了对比.     

无人机吊挂空运系统的自适应控制设计

针对四旋翼无人机吊挂空运系统存在的模型不确定性及欠驱动性问题,本文提出了一种基于能量耦合的自适应控制设计.首先,基于能量整形控制方法构造了一种新型的能量存储函数以处理状态耦合.然后利用神经网络对系统未建模动态特性进行在线估计,同时设计参数自适应律在线估计模型中的未知参数,并采用基于符号函数的鲁棒控制算法补偿神经网络的估计误差.本文运用李雅普诺夫方法和拉塞尔不变性原理对闭环系统的稳定性进行了证明,并且证明了负载摆动和无人机位置误差的渐近收敛性.最后,在室内实验平台上进行了飞行实验.实验结果表明,本文提出的非线性控制方法能够在有效抑制吊挂负载摆动的同时,实现无人机位置的精确控制.     

饱和输入下四旋翼无人机滑模轨迹跟踪控制

为解决四旋翼无人机在饱和输入下的轨迹跟踪控制问题,同时兼顾系统存在的参数不确定性和外部风力扰动影响,设计了一种改进的抗干扰自适应鲁棒滑模控制方法;基于六自由度架构,设计四旋翼无人机简化的系统模型,进而降低控制器设计的复杂程度;引入带有误差信号的滑模函数,设计带有误差信号的饱和补偿自适应控制律,同时增加鲁棒控制项,降低由于饱和输入问题带来的抖振影响,并减小参数不确定和外部风力扰动对系统稳定性的影响;系统模型与抗干扰自适应控制律相结合,形成了改进的抗干扰自适应鲁棒滑模控制策略,实现四旋翼无人机的位置轨迹和姿态轨迹的稳定跟踪;最后通过数值仿真与传统PD控制算法进行仿真比较,验证控制方法的有效性和优越性。     

The Trajectory Tracking Problem of Quadrotor UAV: Global Stability Analysis and Control Design Based on the Cascade Theory

This paper deals with the trajectory tracking problem of a six‐degree of freedom (6‐DOF) quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV). The problem of simplified kinematics based on Euler angles is analyzed and the modified Rodrigues parameters (MRPs) technique is introduced to model the rotational dynamics of the rigid body. A nonlinear system error model is established based on the trajectory tracking problem, and, due to the coupling property between the translational and rotational dynamics, we divide the complete closed‐loop system into two reduced‐order subsystems and a coupling term. The Rodrigues theorem is applied to analyze the internal connections between the coupling term and MRPs. Therefore, the global stability conclusions, by which the trajectory tracking controller of the quadrotor UAV could be designed based on the subsystem directly in future works, are proved based on several assumptions of the subsystems. Thereafter, the controllers, using the backstepping approach and nonlinear disturbance observer/sliding mode control approach, which stabilize the quadrotor UAV globally ‐exponentially and globally uniformly bounded, are proposed based on the stability theorem proofs mentioned above. Numerical simulations are provided to show that the theoretical conclusions and the controller proposed are effective.