基于滑模观测器的四旋翼无人机全回路解耦控制

针对四旋翼无人机复杂轨迹跟踪控制面临的多通道耦合、强非线性以及多源干扰等问题,考虑四旋翼无人机的位置回路、姿态回路动态跟踪误差和执行机构实现过程,提出了一种全回路轨迹跟踪控制方案。首先,将四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题转化为位置回路和姿态回路的指令跟踪问题;其次,将不同通道之间的耦合以及多源干扰影响视作集总干扰,并基于高阶滑模观测器对其进行估计;然后,基于干扰估计信息和动态逆控制算法,分别在位置和姿态回路构造复合动态逆控制器;最后,将位置回路和姿态回路的虚拟控制量转换为旋翼转速。该文控制方案实现了旋翼无人机位置回路和姿态回路不同控制通道之间的解耦,在保证各个通道设计独立的前提下,实现了轨迹的渐近跟踪。针对圆柱螺旋线轨迹跟踪的仿真结果验证了该文解耦控制方案的有效性。     

基于VITAL的无人机目标跟踪方法

针对无人机飞行环境复杂及现有跟踪算法在精确性和实时性上略微不足的问题,提出了一种新型的基于VITAL的无人机目标跟踪算法.首先,设计一套完整的无人机目标跟踪控制系统;其次,对跟踪算法进行设计,将基于对抗学习的VITAL目标识别算法引入无人机目标跟踪算法,用EKF算法对其进行优化,提高实时性且防止目标跟踪失败;最后,通过实际跟踪和性能测试实验,得到相比主流的DNN等目标跟踪算法,算法在精确度上提高4%、实时性提高43%,算法在无人机目标跟踪方面具有较强的鲁棒性.     

模糊滑动模态控制系统的动态性质分析

模糊控制在理论研究和实际应用中存在的问题是缺乏系统有效的设计方法 ,控制系统的稳定性及性能指标难以进行定量分析 ;模糊控制规则的数目随输入变量呈指数函数增加 ,控制器的设计变得很复杂 .为了解决上述问题 ,根据滑动模态控制理论 ,将模糊控制系统的输入量简化为广义跟踪误差的一个超平面 ,基于三角形的非线性划分语言变量的隶属度 ,得到了模糊控制系统的闭环传递函数 .基于此传递函数 ,对模糊控制器的内部机理和某些动态性质进行分析 ,得到了一些模糊控制器的设计参数与控制系统的上升时间、超调量、调整时间等的定量关系 .     

小型涵道风扇无人机自适应解耦控制律设计

为解决小型涵道风扇式无人机俯仰通道和滚转通道之间的惯性耦合问题,采用简单自适应控制(simple a-daptive control,SAC)方法对无人机姿态角速度控制回路设计模型参考自适应控制器,使该控制回路在受到不确定扰动和参数摄动的影响下,仍能稳定跟随参考模型输出;同时对所构造参考模型进行串联前馈解耦,以使无人机跟随参考模型同步解耦,进而实现对无人机姿态角速度和自身姿态角的有效控制.仿真结果显示,该控制律能使无人机姿态稳定跟踪参考模型输出,并且有效抑制了被控对象参数摄动带来的不利影响,控制系统具有较强的自适应性和鲁棒性.     

基于故障估计的无人车容错控制方法

考虑转向控制系统故障和未知干扰同时作用对无人车辆路径跟踪效果的影响,为提高无人车辆控制系统的可靠性,设计了一种无人车路径跟踪容错控制方法. 对转向控制系统输入性故障进行分析,结合未知干扰情况定义了名义故障并建立相应的数学模型. 利用高阶滑模观测器构造名义故障微分方程,并利用自适应容积卡尔曼滤波设计了车辆质心侧偏角和名义故障估计方法,从而为无人车容错控制提供可靠信息源. 基于滑模控制理论设计了无人车路径跟踪容错控制器并证明了其收敛性. 联合仿真和硬件在环试验结果表明,所提出的估计方法能够得到精确可靠的质心侧偏角和名义故障估计结果,且与无容错控制相比,所设计的路径跟踪容错控制器在面对故障和干扰时能够明显地提高车辆的控制性能,并同时保证车辆的路径跟踪能力及其自身的稳定性.      

变质心弹头的自适应模糊滑模控制

对非自旋再入弹头的动力学模型进行了分析,将俯仰通道和偏航通道间的耦合项看作是不确定项,对弹头的姿态动力学模型进行了变形和简化.为了克服耦合项的影响,提高变质心控制系统的鲁棒性和控制精度,采用自适应模糊滑模控制方法分别设计了俯仰通道和偏航通道的变质心控制系统,控制两个质量块的运动.仿真结果表明:在所设计的变质心控制系统的控制下,弹头的俯仰角和偏航角都能快速而准确地跟踪其指令信号,跟踪精度达到99.7％.     

基于改进滑压控制的机炉协调系统设计

动力装置的机炉协调控制系统是一个复杂的多变量控制系统,研究整体的机炉协调控制系统,有助于提高动力装置的自动化程度和安全经济运行水平．通过对机炉协调控制系统特点的剖析,结合锅炉和汽轮机的具体情况及实施的可行性,提出了基于改进滑压控制的机炉协调系统设计方案,分析了机炉协调控制原理．对所设计控制器进行仿真,结果表明,改进后的复合滑压控制系统性能更优．     

基于云台相机的四旋翼无人机跟踪控制系统

针对四旋翼无人机跟拍过程中视角固定,易丢失目标的问题,设计了一种基于云台相机的四旋翼无人机跟踪控制系统。首先,使用云台相机对地面移动目标进行拍摄,通过对目标的颜色特征和形状特征进行检测识别,使用核相关滤波( KCF: Kernel Correlation Filter) 方法进行视觉跟踪,得到地面移动目标在图像坐标系的位置。然后,通过建立针孔模型,解算出在云台相机带有俯仰角时的无人机与地面目标的相对位置关系。最后,设计了离散串级比例-积分-微分( PID: Proportion-Integral-Differential) 踪控制器,实现对无人机的位移控制,使四旋翼无人机可对地面移动目标进行稳定跟踪。同时设计了串级比例-微分( PD: Proportion-Differential) 控制器以实现云台相机的视角跟踪,增大了无人机的跟踪范围,降低了丢失目标的风险。实验结果表明,所设计的四旋翼无人机跟踪控制系统可实现对地面移动目标的稳定跟踪。     

基于主端力缓冲的波变量4通道双边控制方法研究

针对同步性能会直接影响遥操作双边控制系统的透明性和跟踪性的问题,提出了一种基于主端力缓冲的波变量4通道双边控制方法.首先,给出了一种定时延条件下力反馈双边控制系统同步性的定量度量函数;其次,在波变量4通道双边控制结构中,设计了异构形式的主从端控制器,通过在主端控制器添加力缓冲单元和补偿单元来实现主从端同步控制,消除了波变换方法对主端控制器超前作用的影响;在此基础上,采用多回路反馈结构稳定性分析方法对提出的方法进行稳定性分析,并得到系统稳定的约束条件.最后通过仿真和搭建的实验平台验证了所提方法的有效性.      

基于分层策略的多无人机最优协同航路规划

基于分层策略将多无人机协同航路规划分为航路规划层、协同控制层和航迹控制层进行研究。航路规划层采用基于K均值和遗传算法的航路规划方法,为每架无人机提供多条备选航路;针对传统协同控制算法在求解协同变量出现无解的情况,设计了新的协同变量求解步骤;航迹控制层基于无人机六自由度模型和协同变量建立了终端时间固定的最优航迹控制模型,并采用勒让德伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题,并利用CFSQP对模型进行了求解,实现了对无人机航迹控制变量和姿态的规划。仿真结果表明,利用该方法得到的无人机协同航路具有较高的可操作性,且计算量较小,效率较高,得到的无人机控制指令平滑,易于操控。     

基于开源软件的无人机飞行仿真

飞行控制算法设计和仿真是无人机研制的关键步骤。为了缩短无人机飞行控制算法设计周期和试验成本,本文对无人机纵向和侧向控制算法进行了设计,并基于开源软件开发了固定翼无人机可视化的飞行仿真系统,对飞行控制算法进行仿真实验。仿真结果显示,飞行仿真系统实时且直观,通过对飞行仿真试验数据的综合分析,验证了飞行控制算法的有效性,该飞行仿真系统可广泛应用于无人机飞行控制算法的仿真验证。     

基于神经元PID控制的无人机DSP飞控系统设计

航空科学技术的进步和应用领域的扩展不断推进着无人机飞控系统向着高精度、低功耗和小型化方向发展。针对小型无人机飞控系统在功耗、成本、可靠性以及集成度等方面的较高要求,设计了一种基于Freescale M56F807型DSP和神经元PID控制策略的飞控系统,详细阐述了系统的设计思想以及硬件、软件基本结构和控制策略。采用了时域信号的取样积累平均方法,减少了算法的实现难度,提高了采样精度。对硬件设计中的关键技术进行了研究和探讨,所设计的系统具有设计精炼,可靠性高,开放性好等优点,取得了较好的实验效果。基于DSP的现代高速数字处理飞控系统,能够赋予无人机更大的机动性、更高的灵活性和更广泛的适用性。     

多连杆混联仿生腿式起落架设计与着陆实验研究

针对垂直起降飞行器对着陆场地的硬度及平整性要求高、传统起落架智能化程度低的问题,设计了一种基于多连杆混联机构的仿生腿式地形自适应起落架。本文首先针对单腿的设计构型进行驱动力矩分析与机构优化,在此基础上完成结构设计。其次基于设计构型提出了相应的驱动与运动控制算法,建立控制系统,并针对四腿机构进行着陆仿真。最后以多旋翼无人机为对象,设计了一套仿生起落架系统,与多旋翼无人机形成了整体的验证平台,实现地形识别-飞控-多腿控制融合设计,完成了搭建结构化地形的自适应着陆实验。研究结果表明,多连杆混联式仿生起落架设计方法可应用于垂直起降飞行器起落架的设计中,可完成设计载重的斜坡、台阶、凹凸地面等复杂地形的着陆,具备自适应着陆的能力。     

四旋翼姿态的反步滑模自抗扰控制及稳定性

为了解决四旋翼无人机姿态控制中存在的问题,设计了一种基于反步滑模自抗扰姿态控制器.首先,介绍了四旋翼无人机的动力学模型,建立了基于反步滑模自抗扰控制算法的姿态控制方案.控制方案构成主要包括扩张状态观测器及基于Lyapunov稳定性分析的反步滑模控制器.稳定性分析表明,通过合理调整参数可以保证控制系统是渐近稳定的.仿真结果表明,所设计的控制器同经典自抗扰控制器相比,对扰动有较强的抑制能力,提高了自适应性和鲁棒性,表明该控制系统具有更好的稳定性和动态性能,对四旋翼姿态控制更加有效.     

无尾飞翼式高空长航时无人机纵向控制律设计研究

以某无尾飞翼式高空长航时无人机为研究对象,分析了自然飞机在高空巡航状态时的纵向稳定性,介绍并改进了传统的无人机巡航状态纵向控制律设计方法。通过在Matlab/Simulink中建立仿真模型,对两种方法进行对比分析。分析结果表明,由于无人机飞控系统的自动驾驶仪是始终在环的,不必像传统方法一样考虑带有增稳的控制系统的稳定性。因此,改进的设计方法更适合于无尾飞翼式高空长航时无人机巡航状态的纵向飞行控制系统的设计。     

无人机全电刹车系统设计

为了提高无人机现有刹车系统的刹车性能和刹车效率,针对无人机全电刹车系统进行设计。与传统的液压刹车系统进行对比,简要分析了全电刹车系统的刹车原理和结构特点;特别针对全电刹车系统的关键技术即电作动机构进行深入的分析和研究,给出了相应的设计计算方法。对刹车控制盒设计采用了先进的基于最佳滑移率的模糊控制方式,并利用仿真软件MATLAB中的SIMULINK工具建立了整个系统的控制模型,仿真结果表明此控制律的设计还是比较成功的,刹车过程平稳,刹车效率较高。     

基于TECS|H_□的无人机纵向着舰系统设计

针对无人机纵向自动着舰,运用总能量控制系统建立无人机纵向自动着舰系统,根据纵向着舰导引系统速度为常数且具有抑制纵向风干扰的要求,设计基于线性矩阵不等式的H_□输出反馈控制器,通过对所设计的先锋无人机的纵向自动着舰导引系统仿真表明:通过升降舵和油门的协调控制,实现了速度和航迹的解耦控制,且该设计能满足着舰要求,能有效地抑制纵向风干扰的影响,具有良好的鲁棒性能.     

轻小型无人机飞行方案设计及其建模精度研究

轻小型无人机飞行高度和像控点布设间距是影响三维实景模型的关键因素,利用大疆精灵4RTK无人机,以工程测量中常用的几种飞行高度和像控点布设间距设计飞行方案,构建出三维实景模型,并对三维模型精度和无人机作业全过程效率进行对比分析,研究表明当飞行高度在60～100 m、像控点间距在500 m左右时,构建出的三维模型精度可靠且飞行方案更合理、经济,为轻小型无人机在工程测量中的应用提供了参考依据。     

Z字形飞机建模与半实物仿真研究

为了提高无人机飞行品质,研究无人机控制的半实物仿真应用,形成一套通用的无人机飞行控制律设计与半实物仿真方法,针对气动特性较为复杂的Z字形飞机进行了研究。Z字形飞机机翼可向机身方向折叠,便于存放和运输。根据Z字形飞机外形参数,求得气动数据,并在此基础上利用小扰动线性化原理建立纵向线性模型,通过加入干扰脉冲方式研究模型纵向静稳定性,选取各环节传递函数,建立俯仰控制回路,调整PID参数,设计纵向控制律,分别使用Simulink和半实物仿真器进行仿真。仿真结果表明,无人机具有较好的静稳定性,PID控制参数选择合理,系统超调量较小,调节时间较短,可以提升无人机飞行品质,半实物仿真可以更真实、直观地反映无人机姿态,所用建模与仿真方法可应用到其他固定翼无人机,具有一定的通用性。     

基于L1自适应控制律的无人机滚转控制

在飞行器参数变化时,L1自适应控制相对于传统比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制方法具有理想的控制效果.针对某型存在参数不确定性的无人机,建立了无人机横侧向动力学模型,在对L1自适应控制理论进行研究的基础上,分别设计了L1自适应控制律和比例微分(proportional derivative,PD)控制律,通过算例仿真,对比分析了这两种控制律对无人机滚转角的控制效果.结果表明,L1自适应控制律具有良好的抗飞行器参数变化能力,鲁棒性强,对无人机飞行控制系统设计具有重要的参考价值.