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软管连接约束下的加油机/无人机编队跟踪控制

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航空学报 2023年第17期44卷 258-268页

作者：刘博孟中杰西北工业大学航天学院西安710072 西北工业大学航天飞行动力学技术国家重点实验室西安710072

在自主空中加油任务中,针对受油无人机(UAV)与加油机对接后形成的软管约束下的编队跟踪控制问题,提出一种基于领航-跟随的加油编队跟踪控制方法。首先,建立软管约束下加油编队运动学/动力学模型。然后设计非奇异终端滑模编队快速收敛控... 详细信息

在自主空中加油任务中,针对受油无人机(UAV)与加油机对接后形成的软管约束下的编队跟踪控制问题,提出一种基于领航-跟随的加油编队跟踪控制方法。首先,建立软管约束下加油编队运动学/动力学模型。然后设计非奇异终端滑模编队快速收敛控制器,以满足软管约束下加油编队的快速收敛需求;再考虑复杂气流和软管未知扰动,结合扩张状态观测器和PI型动态逆控制,设计无人机轨迹跟踪控制器,并基于Lyapunov稳定性分析证明闭环系统可实现有限时间的快速稳定。最后,通过数值仿真来验证所设计加油编队控制方法的有效性。

关键词：无人机自主空中加油编队跟踪控制非奇异终端滑模控制非线性动态逆

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高超声速弹性飞行器振动模态自适应抑制技术

宇航学报 2011年第10期32卷 2164-2168页

作者：孟中杰闫杰西北工业大学航天学院西安710072

为保证超燃冲压发动机的良好进气,需要对高超声速飞行器进行精细姿态控制。针对高超声速飞行器特有的气动参数和结构模态参数不确定性问题,基于自适应模态抑制思想,设计了一种精细姿态控制系统,包括观测刚体模态状态信息的鲁棒H∞滤波器... 详细信息

为保证超燃冲压发动机的良好进气,需要对高超声速飞行器进行精细姿态控制。针对高超声速飞行器特有的气动参数和结构模态参数不确定性问题,基于自适应模态抑制思想,设计了一种精细姿态控制系统,包括观测刚体模态状态信息的鲁棒H∞滤波器,提高跟踪性能的LQR刚体控制器,实时辨识弯曲模态频率的结构模态观测器和结构滤波器四部分。仿真表明,设计的控制系统在气动参数±20%,模态频率±30%的随机摄动下仍能够很好地跟踪刚体攻角,抑制弹性攻角,保证超燃冲压发动机进气道±0.6度的攻角控制精度,满足精细姿态控制的要求。

关键词：高超声速飞行器模态抑制自适应滤波鲁棒H∞滤波结构模态观测器

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空间热环境下带大型天线卫星的最优姿态控制

宇航学报 2023年第5期44卷 743-751页

作者：梁红利孟中杰西北工业大学航天学院西安710072

针对空间热环境下带有大型天线的卫星姿态稳定问题,提出一种基于滑模面的自适应近似最优控制方法。首先考虑天线存在热应力与热振动,给姿态控制系统带来未知非匹配干扰,利用状态观测器在线估计非匹配干扰上界;以此为基础,考虑非匹配干... 详细信息

针对空间热环境下带有大型天线的卫星姿态稳定问题,提出一种基于滑模面的自适应近似最优控制方法。首先考虑天线存在热应力与热振动,给姿态控制系统带来未知非匹配干扰,利用状态观测器在线估计非匹配干扰上界;以此为基础,考虑非匹配干扰影响,构建一种基于干扰估计、具有在线更新能力的性能指标函数。然后设计一种基于滑模面的单层评价神经网络逼近最优性能指标函数,解决了不确定HJB方程求解困难的问题;结合滑模控制律,进一步提高收敛速度。最后,证明了该方法的稳定性。仿真结果表明:考虑地球轨道热环境,在天线温度大幅变化下,该方法能很好地实现带大型天线卫星的姿态稳定。

关键词：空间热环境卫星姿态稳定最优控制滑模控制

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弹性高超声速飞行器建模及精细姿态控制

宇航学报 2011年第8期32卷 1683-1687页

作者：孟中杰闫杰西北工业大学航天学院西安710072

为保证超燃冲压发动机的良好进气,需要对高超声速飞行器进行精细姿态控制,但弹性振动问题极大影响其精细姿态控制精度。以高超声速飞行器的纵向通道为例,分析弹性振动问题对飞行控制系统的影响,建立面向控制的弹性高超声速飞行器数学模... 详细信息

为保证超燃冲压发动机的良好进气,需要对高超声速飞行器进行精细姿态控制,但弹性振动问题极大影响其精细姿态控制精度。以高超声速飞行器的纵向通道为例,分析弹性振动问题对飞行控制系统的影响,建立面向控制的弹性高超声速飞行器数学模型,考虑气动参数和模态参数的大范围摄动,采用主动控制策略,基于鲁棒H∞理论和LQR理论设计精细姿态控制系统。大量仿真表明:在考虑测量噪声、舵机非线性、参数大范围摄动的情况下,控制系统能够很好地跟踪刚体攻角,抑制弹性攻角,并保证进气口当地攻角±0.4度的控制精度,满足高超声速飞行器精细姿态控制的要求。

关键词：高超声速飞行器振动建模精细姿态控制主动控制鲁棒控制

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空间绳系机器人抓捕目标过程协同稳定控制

机器人 2014年第1期36卷 100-110页

作者：徐秀栋黄攀峰孟中杰西北工业大学航天学院智能机器人研究中心陕西西安710072 西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室陕西西安710072

针对空间绳系机器人抓捕无控目标过程中的自身稳定控制问题,提出一种操作机械臂主动阻尼控制与利用空间系绳、反作用轮进行基体姿态稳定控制相结合的协同稳定控制方法.文中首先建立了空间绳系机器人抓捕目标的动力学模型及与目标的接触... 详细信息

针对空间绳系机器人抓捕无控目标过程中的自身稳定控制问题,提出一种操作机械臂主动阻尼控制与利用空间系绳、反作用轮进行基体姿态稳定控制相结合的协同稳定控制方法.文中首先建立了空间绳系机器人抓捕目标的动力学模型及与目标的接触碰撞模型,分析了抓捕过程中空间绳系机器人及目标的运动状态,在此基础上设计了操作机械臂关节主动阻尼控制律以减小碰撞力对操作机械臂末端的冲击,结合基体姿态的变化设计了滑模姿态稳定控制律,通过空间系绳和反作用轮提供基体所需的滑模姿态控制力矩.在抓捕目标仿真过程中对关节主动阻尼控制方法和所提出的协同稳定控制方法进行比较分析,结果表明,本文提出的抓捕目标协同稳定控制方法能很好地稳定操作机械臂和基体,且空间系绳对基体及目标的扰动影响很小,达到了空间绳系机器人抓捕目标时自身稳定的要求.

关键词：空间绳系机器人主动阻尼控制协同稳定控制滑模控制

自主机动飞网机器人动力学建模与网型保持方法

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宇航学报 2015年第7期36卷 755-762页

作者：孟中杰黄攀峰西北工业大学航天学院智能机器人研究中心西安710072 航天飞行动力学技术国家级重点实验室西安710072

针对自主机动飞网机器人多系绳编织结构的动力学建模难题,首先提出利用无向图描述飞网机器人的结构,然后依据系绳杨氏模量极大的特点,设计间隙函数和约束反力,基于Hamilton原理建立飞网机器人数学模型,并设计一种基于Lemke算法和龙格库... 详细信息

针对自主机动飞网机器人多系绳编织结构的动力学建模难题,首先提出利用无向图描述飞网机器人的结构,然后依据系绳杨氏模量极大的特点,设计间隙函数和约束反力,基于Hamilton原理建立飞网机器人数学模型,并设计一种基于Lemke算法和龙格库塔积分的解算方法;针对其网型保持问题,设计一种"双层优化伪动态逆内环+变结构控制外环"的控制方法。仿真结果表明,设计的控制器能够有效控制飞网机器人沿指令轨迹运动,并很好保持其网型,避免飞网机器人任务过程的变形和轨道径向移动。

关键词：自主机动飞网机器人动力学建模网型保持间隙函数

基于改进稀疏A~＊算法的高超声速飞行器航迹规划技术

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西北工业大学学报 2010年第2期28卷 182-186页

作者：孟中杰黄攀峰闫杰西北工业大学航天学院陕西西安710072

文章首先全面分析高超声速飞行器航迹规划的特殊性,然后对威胁场模型和规划过程中所要考虑的几何约束、性能约束、热流约束、燃料/路径等约束条件进行建模,再将航迹规划问题划分为参考航迹规划和可飞航迹规划两部分,设计高超声速飞行器... 详细信息

文章首先全面分析高超声速飞行器航迹规划的特殊性,然后对威胁场模型和规划过程中所要考虑的几何约束、性能约束、热流约束、燃料/路径等约束条件进行建模,再将航迹规划问题划分为参考航迹规划和可飞航迹规划两部分,设计高超声速飞行器航迹规划完整流程和一种改进的变步长稀疏A*算法,最后进行了仿真分析。仿真结果表明:规划出的航迹满足高超声速飞行器各种可飞行要求,并能够避开各种威胁,且规划时间短,稳定性好。

关键词：高超声速飞行器航迹规划改进的稀疏A*算法

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空间绳系机器人逼近目标协调控制方法

航空学报 2013年第5期34卷 1222-1231页

作者：徐秀栋黄攀峰孟中杰西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室陕西西安710072

为了节省空间绳系机器人的末端执行装置在逼近目标卫星过程中推力器所使用的燃料,本文提出一种利用推力器、反作用轮及空间系绳的协调控制方法。首先利用二次型最优控制器(LQR)算法计算出末端执行装置逼近目标所需的理想轨道控制力,然... 详细信息

为了节省空间绳系机器人的末端执行装置在逼近目标卫星过程中推力器所使用的燃料,本文提出一种利用推力器、反作用轮及空间系绳的协调控制方法。首先利用二次型最优控制器(LQR)算法计算出末端执行装置逼近目标所需的理想轨道控制力,然后利用模拟退火算法将所需轨道控制力优化分配到推力器及空间系绳,同时利用时间延迟算法通过反作用轮补偿空间系绳产生的姿态干扰力矩。仿真结果表明,利用该协调控制方法能显著节省末端执行装置上推力器的燃料消耗,有效抑制空间系绳协调控制力产生的姿态干扰,使末端执行装置保持相对稳定的姿态。

关键词：空间绳系机器人 LQR算法协调控制模拟退火时间延迟

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利用受限张力的拖曳变轨欠驱动姿态稳定策略

航空学报 2016年第12期37卷 3783-3792页

作者：王秉亨孟中杰黄攀峰西北工业大学航天学院智能机器人研究中心西安710072 西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室西安710072

在空间绳系拖曳变轨中,目标和平台形成一种哑铃型绳系系统,且仅依靠有限的平台推力和系绳张力来抑制系绳的摆动。针对此类输入受限的欠驱动控制问题,提出了一种利用受限张力的姿态稳定策略。首先,推导了组合体姿态动力学模型。然后通过... 详细信息

在空间绳系拖曳变轨中,目标和平台形成一种哑铃型绳系系统,且仅依靠有限的平台推力和系绳张力来抑制系绳的摆动。针对此类输入受限的欠驱动控制问题,提出了一种利用受限张力的姿态稳定策略。首先,推导了组合体姿态动力学模型。然后通过数值求解姿态平衡方程得出理论面内姿态指令,再采用高斯伪谱法对其优化获得实际指令。最后,基于分层滑模理论设计欠驱动张力控制律,并嵌入抗饱和模块以缓解张力饱和。仿真表明空间平台能在正向有限的张力控制下,平滑地收放系绳使面内角和绳长跟踪实际姿态指令。此外,所提策略对目标体摆动和传感器误差也具有良好的鲁棒性。

关键词：空间绳系机器人轨道转移欠驱动姿态稳定滑模控制抗饱和