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圆形轨迹导引下的无人机事件触发抗干扰环绕控制

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导航定位与授时 2024年第2期11卷 57-71页

作者：朱璟邵星灵刘俊中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原030051 中北大学仪器与电子学院太原030051 中北大学电气与控制工程学院太原030051

针对内部不确定性以及外部环境摄动的目标环绕控制问题,在基于反步法的双层制导框架下,利用级联控制思想,提出了一种圆形轨迹导引下的四旋翼无人机事件触发抗扰环绕控制方法。在轨迹回路中,构建了可满足持续激励条件的目标位置估计器,... 详细信息

针对内部不确定性以及外部环境摄动的目标环绕控制问题,在基于反步法的双层制导框架下,利用级联控制思想,提出了一种圆形轨迹导引下的四旋翼无人机事件触发抗扰环绕控制方法。在轨迹回路中,构建了可满足持续激励条件的目标位置估计器,保证仅通过视线方位角就能获取可满足最终一致有界条件的目标估计项。随后,基于目标的位置估计结果,设计了目标环绕控制律生成线速度指令,并通过方向向量场验证了该环绕制导律的有效性,消除了现有李雅普诺夫向量场制导(LVFG)对相对位置和目标速度的依赖。在姿态回路中,通过采用扩张状态观测器(ESO)补偿系统的集总不确定性,设计了基于相对阈值事件触发控制的姿态控制器,在有效降低控制器到执行机构之间信号传输频率的同时,实现了四旋翼无人机对静止/移动目标环绕。然后,借助输入状态稳定性定理证明了系统的稳定性。仿真结果表明,所提控制方案能够实现圆形轨迹导引下四旋翼无人机对静止/移动目标的环绕监视。

关键词：目标位置估计持续激励相对阈值事件触发扩张状态观测器

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基于强化学习的无人机安全避障与围捕制导

战术导弹技术 2024年第2期 93-105页

作者：梅泽伟邵星灵刘俊中北大学太原030051

针对无人机在受约束环境下面临绕飞障碍物与跟踪目标相互掣肘的问题,提出了一种基于强化学习的无人机安全避障与围捕制导方法。根据极坐标原理设计环绕跟踪控制器,驱使无人机在GPS拒止的情况下到达预设的圆形轨道。将环绕约束和障碍物... 详细信息

针对无人机在受约束环境下面临绕飞障碍物与跟踪目标相互掣肘的问题,提出了一种基于强化学习的无人机安全避障与围捕制导方法。根据极坐标原理设计环绕跟踪控制器,驱使无人机在GPS拒止的情况下到达预设的圆形轨道。将环绕约束和障碍物约束转化为马尔可夫过程,以速度、径向误差、角速度误差和碰撞函数为状态空间,以控制器的补偿量为动作空间,设计考虑跟踪误差和碰撞概率的奖励函数,利用深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)算法对智能体进行训练,增强跟踪效果并获得避碰能力,实现无人机对静止/运动目标的环绕跟踪;此外,在训练过程中引入课程学习,将过去的学习策略转移到当前事件,与经典的随机参数设置相比,具有更快的收敛速度。最后仿真表明,所提算法可以引导无人机圆形环绕控制的同时高效规避障碍物。

关键词：强化学习避障无人机目标跟踪环绕 GPS拒止

基于事件触发机制和最小学习参数的FAHV指定时间收敛自适应控制

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空军工程大学学报 2024年第2期25卷 48-61页

作者：李江苗邵星灵徐悦梅邓瑞祥中北大学仪器与电子学院太原030051 省部共建动态测试技术国家重点实验室太原030051 中北大学电气与控制工程学院太原030051

针对当前吸气式高超声速飞行器自适应控制结果仅能实现误差渐近收敛于预设包络、神经权值在线更新存在计算爆炸、对机载资源过度占用的难题,提出了基于事件触发机制和最小学习参数的FAHV指定时间收敛自适应控制方法。首先,阐述了一种不... 详细信息

针对当前吸气式高超声速飞行器自适应控制结果仅能实现误差渐近收敛于预设包络、神经权值在线更新存在计算爆炸、对机载资源过度占用的难题,提出了基于事件触发机制和最小学习参数的FAHV指定时间收敛自适应控制方法。首先,阐述了一种不依赖精确误差初值同时又能确保误差指定时间收敛的改进预设性能控制机制;其次,构建了用于FAHV干扰辨识的相对阈值事件触发神经网络;最后,设计了相对阈值事件触发控制算法,有效降低了闭环控制器对通信资源的消耗,在非等周期信号传输的基础上实现了良好的控制精度。仿真结果表明,所提方法能够在低计算与传输资源消耗下对高度/速度参考信号实施指定时间跟踪。

关键词：吸气式高超声速飞行器改进预设性能控制相对阈值事件触发神经网络相对阈值事件触发控制

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基于DQN变动力智能决策的轨迹规划

兵工学报 2024年

作者：梅泽伟李天任朱佳琳邵星灵丁天雲刘俊中北大学电气与控制工程学院中国运载火箭技术研究院研究发展中心中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室中北大学仪器与电子学院

针对航天飞行器气动力不足难以维持应急侧向操纵确保安全避开障碍物的问题，提出了一种基于深度Q学习网络（Deep Q-learning Network， DQN）变动力智能决策的轨迹规划方法。根据变动力航天飞行器运动学方程，设计了基于航程误差的纵向... 详细信息

针对航天飞行器气动力不足难以维持应急侧向操纵确保安全避开障碍物的问题，提出了一种基于深度Q学习网络（Deep Q-learning Network， DQN）变动力智能决策的轨迹规划方法。根据变动力航天飞行器运动学方程，设计了基于航程误差的纵向制导律和考虑避开障碍物的横侧向制导律，用于实时校正倾侧角的幅值和符号，保证终端制导精度和绕飞安全性。从变动力智能决策层面出发，将航天飞行器动力档位调节问题转化为马尔可夫决策过程，以攻角、马赫数以及航天飞行器与障碍物的相对距离为状态空间，以航天飞行器动力档位为动作空间，设计考虑碰撞概率和终端约束偏差的奖励函数，构建DQN网络对智能体进行训练，以得到最佳动力档位。仿真结果表明：所提算法可以赋能航天飞行器在满足终端约束条件下提升运动过程的横向避障能力。

关键词：航天飞行器深度Q学习网络变动力智能决策轨迹规划

基于相控阵与合成孔径聚焦方法的CMUT阵列虚拟声源成像技术

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微纳电子技术 2024年第4期61卷 147-155页

作者：张甜宋金沙乔冰琴邵星灵武洋王智豪山西省财政税务专科学校大数据学院太原030024 中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室太原030051

对电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列成像中的相控阵(PA)和合成孔径聚焦技术(SAFT)的综合方法进行研究,使用CMUT子阵列形成虚拟声源,并利用虚拟声源的辐射能量进行超声成像。通过对比不同孔径的超声波声束发散程度,得到CMUT阵列最佳子... 详细信息

对电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列成像中的相控阵(PA)和合成孔径聚焦技术(SAFT)的综合方法进行研究,使用CMUT子阵列形成虚拟声源,并利用虚拟声源的辐射能量进行超声成像。通过对比不同孔径的超声波声束发散程度,得到CMUT阵列最佳子孔径阵元数量为9,CMUT阵列实验通过将子孔径阵元数量从1到15依次增加,观察水中两个不同深度的钉子成像清晰度来验证最佳子孔径阵元数量。与传统全矩阵捕捉(FMC)成像技术相比,多阵元SAFT合成的虚拟声源辐射能力更强,所以有更好的探测深度,同时由于利用子阵列进行超声数据采集,因此减少了CMUT超声成像系统的硬件采集通道数。

关键词：电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列合成孔径相控阵(PA) 虚拟声源超声成像

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基于神经网络的多四旋翼保性能编队控制

科学技术与工程 2022年第15期22卷 6347-6353页

作者：曹志斌邵星灵杨卫康新晨桂林航天工业学院电子信息与自动化学院桂林541004 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原030051

针对多四旋翼编队飞行过程中存在的参数和外界扰动不确定性导致编队系统不稳定问题,设计了一种多四旋翼分布式神经自适应动态面协同编队控制方法。采用学习维数低、实时性强的最小参数学习神经网络观测器,实现对四旋翼位置回路和角度回... 详细信息

针对多四旋翼编队飞行过程中存在的参数和外界扰动不确定性导致编队系统不稳定问题,设计了一种多四旋翼分布式神经自适应动态面协同编队控制方法。采用学习维数低、实时性强的最小参数学习神经网络观测器,实现对四旋翼位置回路和角度回路未知非线性干扰的快速平滑学习与补偿。利用预设性能控制方法将原先受约束的同步误差经转换函数变换为不受约束的误差,解决协同编队中的位置一致性控制问题,确保各四旋翼位置跟踪同步误差能够按照预设的收敛速度、超调量及稳态误差收敛至期望的区域。仿真实验表明,所提多四旋翼协同抗干扰编队方法在较大扰动环境下仍能达到良好的控制效果。

关键词：协同编队四旋翼无人机神经网络预设性能

基于改进sigmoid函数的非线性跟踪微分器

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控制理论与应用 2014年第8期31卷 1116-1122页

作者：邵星灵王宏伦北京航空航天大学无人驾驶飞行器设计研究所北京100191 北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

本文受神经网络中常用的sigmoid激励函数特性的启发,提出了一种形式简单、调参相对容易的非线性跟踪微分器(STD).首先,在sigmoid函数的基础上引入指数和幅度因子,利用改进后的sigmoid函数构造加速度函数,接着,借助Lyapunov直接法证明了... 详细信息

本文受神经网络中常用的sigmoid激励函数特性的启发,提出了一种形式简单、调参相对容易的非线性跟踪微分器(STD).首先,在sigmoid函数的基础上引入指数和幅度因子,利用改进后的sigmoid函数构造加速度函数,接着,借助Lyapunov直接法证明了所设计的跟踪微分器的非摄动形式具有全局渐近稳定性,随后利用系统等价性给出了跟踪微分器的具体形式并通过扫频测试分析了其频域特性;最后,与线性微分器(LD)、全程快速跟踪微分器(HSTD)以及改进的跟踪微分器(ITD)、反正切形式的跟踪微分器(ATD)分别进行对比仿真分析.结果表明,基于sigmoid函数设计的跟踪微分器可以兼顾响应的快速性以及平稳性、全程无抖振,对信号的广义导数具有良好的逼近能力和滤波效果.

关键词：改进的sigmoid函数加速度函数跟踪微分器扫频测试

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基于非线性自抗扰的四旋翼姿态控制

无人系统技术 2022年第6期5卷 86-93页

作者：田欣然邵星灵张飞中北大学仪器与电子学院太原030051 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原030051

针对四旋翼无人机姿态跟踪的精度问题,提出了一种不依赖于四旋翼无人机姿态模型的非线性自抗扰控制方法。首先,建立了通道耦合的四旋翼姿态动力学模型;其次,利用跟踪微分器安排指令过渡过程,实现超调量与快速性的协调设计;然后,利用非... 详细信息

针对四旋翼无人机姿态跟踪的精度问题,提出了一种不依赖于四旋翼无人机姿态模型的非线性自抗扰控制方法。首先,建立了通道耦合的四旋翼姿态动力学模型;其次,利用跟踪微分器安排指令过渡过程,实现超调量与快速性的协调设计;然后,利用非线性扩张状态观测器实时估计不确定性扰动并对四旋翼姿态进行补偿;最后,综合前述模块,通过非线性状态误差反馈实现跟踪误差的抑制,提高补偿效率。讨论调参规律后,在MATLAB/Simulink环境中进行仿真验证,跟踪精度的误差约为10^(-2)数量级,并与PID控制进行比较;后在平台上进行实验测试。仿真与实验结果均表明,本文所设计的控制器可以实现高精度姿态跟踪的快速响应,有效地提高了控制系统的抗干扰能力和鲁棒性,具有实际工程应用价值。

关键词：四旋翼飞行器无人机姿态控制自抗扰控制动力学模型非线性状态误差反馈

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飞行器无动力应急着陆域和着陆轨迹设计

航空学报 2014年第5期35卷 1404-1415页

作者：王宏伦裴云峰倪少波邵星灵北京航空航天大学无人驾驶飞行器设计研究所北京100191 北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191 北京航天自动控制研究所北京100854

针对飞行器动力故障迫降着陆问题,提出一种应急着陆域(ELR)和着陆轨迹设计方法。首先,提出了无动力应急着陆域的概念,即无动力条件下可实现成功着陆的着陆点范围,并分别应用最优控制方法和hp自适应伪谱法对着陆域进行设计和求解;采用理... 详细信息

针对飞行器动力故障迫降着陆问题,提出一种应急着陆域(ELR)和着陆轨迹设计方法。首先,提出了无动力应急着陆域的概念,即无动力条件下可实现成功着陆的着陆点范围,并分别应用最优控制方法和hp自适应伪谱法对着陆域进行设计和求解;采用理论分析与仿真验证相结合的方法分析应急着陆域的特点以及影响着陆域大小的主要因素,并据此得到求解应急着陆域的简单近似方法。然后,依据所求得的应急着陆域,选择合适位置作为预定着陆点,并应用最优控制方法设计对应的着陆轨迹。仿真结果表明:应急着陆域的建立、分析对快速选择预定着陆点具有重要参考价值;设计的应急着陆轨迹可引导无动力飞行器实现成功着陆。

关键词：迫降着陆应急着陆域着陆轨迹设计最优控制 hp自适应伪谱法