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四旋翼无人机轨迹跟踪与自主着陆控制研究

四旋翼无人机轨迹跟踪与自主着陆控制研究

作者：龚有敏哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

四旋翼无人机是结构最简单的一类旋翼型无人机,因其具有垂直起降、简单易操作、可在狭小空间作业等优势,在军事侦查、警用防暴、农林业考察、大众娱乐等等诸多场景得到广泛应用,这对其自主性、快速性、安全性、精确性的需求越来越迫切,... 详细信息

四旋翼无人机是结构最简单的一类旋翼型无人机,因其具有垂直起降、简单易操作、可在狭小空间作业等优势,在军事侦查、警用防暴、农林业考察、大众娱乐等等诸多场景得到广泛应用,这对其自主性、快速性、安全性、精确性的需求越来越迫切,要求也越来越苛刻。因为四旋翼无人机具有欠驱动性、强耦合性的特点,而且其很容易受到外界干扰的影响,所以在对其进行控制器设计时存在着一定的困难。在一般任务中,可以将四旋翼无人机的自主飞行划分为两个主要阶段:自主巡迹阶段和自主着陆阶段。前者要求其能够按照参考轨迹进行飞行,后者则对其安全性具有较高需求。因此,研究四旋翼无人机轨迹跟踪与自主着陆控制具有非常重要的实际意义,本文主要针对下面几个内容展开研究:在分析四旋翼无人机的结构和飞行机理的基础上,选取合适的地面坐标系和机体坐标系,建立包含平移与旋转运动的6自由度动力学模型。通过设计虚拟控制量的方法处理动力学模型,解决了欠驱动强耦合问题,为全文各章节打下基础。针对四旋翼无人机的轨迹跟踪控制问题,主要考虑两方面的内容。一方面,考虑四旋翼无人机线速度不可直接测量的实际约束,基于有限时间理论,提出了一种有限时间观测器实现对线速度的高精度估计,进一步地,提出了位置环与姿态环有限时间控制算法。另一方面,考虑到其在飞行过程容易受到阵风等影响,采用干扰观测器估计风场造成的影响,提出了一种考虑2D风场干扰的自适应控制算法,保证四旋翼无人机在2D风场下安全飞行并具有较高跟踪精度。针对四旋翼无人机的自主着陆控制问题,根据障碍地形是否预先已知分两种情况进行考虑。考虑障碍信息预先已知的定点着陆问题,利用四旋翼无人机位置与障碍位置构造高斯形式势函数,设计了自主避障着陆控制器。进一步地,为克服高斯形式势函数在描述障碍方面的不足,采用圆柱形势函数进行改进,利用势函数梯度构建滑动模态,设计了一种自主避障着陆滑模控制算法。考虑障碍信息未知的在固定点或者移动平台上着陆问题,为获取着陆过程中的障碍信息,设计了一种测距传感器安装方式,通过该安装方式可以获得着陆过程的障碍方位角与相对距离。利用相对距离构造圆柱形势函数,设计了基于相对测距信息的势函数自主避障着陆控制方法。进一步地,为解决势函数的“死锁”问题,采用阻抗控制思想,设计了基于阻抗控制的自主避障着陆控制方法。论文中针对提出的所有控制器都设计了数值仿真实验,检验其有效性。

关键词：四旋翼无人机轨迹跟踪自主着陆避障势函数阻抗控制

考虑斜坡约束的固定时间行星软着陆制导律设计

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宇航学报 2023年第5期44卷 699-707页

作者：龚有敏郭延宁孙悦马广富郭敏文张海博哈尔滨工业大学航天学院控制科学与工程系哈尔滨150001 北京控制工程研究所北京100094

针对行星探测动力下降段的反馈制导问题,通过引入斜坡约束对着陆轨迹进行约束,应用滑模控制理论和固定时间控制理论,提出了一种固定时间精确软着陆制导方法。首先,根据斜坡约束,定义了约束边界函数,并利用该函数设计了非线性滑模面,不... 详细信息

针对行星探测动力下降段的反馈制导问题,通过引入斜坡约束对着陆轨迹进行约束,应用滑模控制理论和固定时间控制理论,提出了一种固定时间精确软着陆制导方法。首先,根据斜坡约束,定义了约束边界函数,并利用该函数设计了非线性滑模面,不仅保证了系统状态沿滑模面收敛时是固定时间稳定的,还保证了系统状态不会违反斜坡约束。通过引入光滑连续的切换滑模面,避免了滑模面的奇异问题。其次,设计了固定时间制导律,保证了滑模状态能够在固定时间内收敛到零,利用Lyapunov方法证明了系统的稳定性,并分析了在所设计制导律作用下系统状态不会违反斜坡约束。最后,通过数值仿真算例验证了所提算法的有效性以及鲁棒性。

关键词：行星着陆反馈制导斜坡约束滑模控制固定时间

考虑导航误差的火星探测器动力下降段鲁棒轨迹优化

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中国科学:物理学力学天文学 2024年

作者：高多志龚有敏郭延宁李传江马广富哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院

针对火星探测器动力下降段过程中依赖的自主导航设备存在有界测量误差的问题,本文提出了一种基于凸优化的鲁棒轨迹优化算法.首先,对传统的基于凸优化的轨迹优化方法进行改进修正,建立基于序列凸优化的快速、精确求解方法.然后,分别对高... 详细信息

针对火星探测器动力下降段过程中依赖的自主导航设备存在有界测量误差的问题,本文提出了一种基于凸优化的鲁棒轨迹优化算法.首先,对传统的基于凸优化的轨迹优化方法进行改进修正,建立基于序列凸优化的快速、精确求解方法.然后,分别对高度、位置和速度存在导航误差的情况进行建模和分析,并给出不同情况对应的修正斜坡约束.接着,分别提出针对位置和速度误差的鲁棒轨迹求解算法.最后,通过仿真案例对提出的改进凸优化算法和鲁棒轨迹优化算法进行了验证,结果表明所得的解具有准确性和鲁棒性.

关键词：火星探测导航误差动力下降段凸优化鲁棒轨迹优化

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多节点柔性着陆器非一致约束处理

深空探测学报（中英文） 2024年第3期11卷 225-232页

作者：柴敬轩吴新裕龚有敏梅杰马广富哈尔滨工业大学(深圳) 空间科学与应用技术研究院深圳518055 哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院深圳518055

针对新型多节点柔性着陆器协同下降轨迹规划非一致约束的问题,提出了一种基于控制障碍函数的分布式优化方法,仅需要节点间的相对距离信息即可求解出各节点无冲突下降的轨迹。通过两种典型的多节点柔性着陆器协同下降场景仿真,论证了所... 详细信息

针对新型多节点柔性着陆器协同下降轨迹规划非一致约束的问题,提出了一种基于控制障碍函数的分布式优化方法,仅需要节点间的相对距离信息即可求解出各节点无冲突下降的轨迹。通过两种典型的多节点柔性着陆器协同下降场景仿真,论证了所提方法的有效性。为解决多节点柔性着陆器的非一致约束问题提供了一种新思路。

关键词：多节点柔性着陆器非一致约束小行星柔性附着控制障碍函数分布式优化

火星大气进入段抗饱和固定时间阻力加速度跟踪制导律设计

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飞控与探测 2020年第4期3卷 48-57页

作者：龚有敏郭延宁马广富高新洲哈尔滨工业大学控制科学与工程系哈尔滨150001

研究了具有固定时间收敛特性的火星探测器大气进入段的标称轨迹跟踪制导问题。首先,针对横向运动,给出与速度成线性关系的航向误差漏斗走廊形式,完成了倾侧角的反号逻辑设计。与横程漏斗走廊反号逻辑相比,该逻辑计算量小,更适用于宇航... 详细信息

研究了具有固定时间收敛特性的火星探测器大气进入段的标称轨迹跟踪制导问题。首先,针对横向运动,给出与速度成线性关系的航向误差漏斗走廊形式,完成了倾侧角的反号逻辑设计。与横程漏斗走廊反号逻辑相比,该逻辑计算量小,更适用于宇航计算机。与航向误差宽度走廊反号逻辑相比,该逻辑在高速状态下能够避免倾侧角的频繁切换,可提高任务成功的概率。其次,针对纵向运动,通过RBF神经网络补偿了倾侧角饱和问题,利用积分滑模设计了阻力加速度固定时间饱和跟踪制导律,其不仅可有效消除滑模控制的抖振问题,且将跟踪误差以两种不同形式引入制导律,能够加速收敛,能够保证跟踪误差在固定时间内快速收敛至0。最后,通过数值仿真验证了所设计的横向倾侧角切换逻辑和纵向制导律对标称轨迹的快速、精确跟踪能力。

关键词：火星大气进入制导阻力加速度跟踪固定时间抗饱和航向误差漏斗走廊

大国博弈下的亚太绿色产业竞合：主要特征、演化原因与未来趋势

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东北亚论坛 2025年第1期 84-99+128页

作者：周亚敏中国社会科学院亚太与全球战略研究院

《巴黎协定》下21世纪中叶全球实现净零排放的目标导向，促使各国加速推进国内绿色转型进程，因而绿色产业实力跃升为国家竞争优势的主要来源之一。亚太地区既是全球绿色转型的重点区域，也是大国战略博弈的焦点区域，域内绿色产业的竞... 详细信息

《巴黎协定》下21世纪中叶全球实现净零排放的目标导向，促使各国加速推进国内绿色转型进程，因而绿色产业实力跃升为国家竞争优势的主要来源之一。亚太地区既是全球绿色转型的重点区域，也是大国战略博弈的焦点区域，域内绿色产业的竞争张力与合作聚力并存。美国及其盟伴将中国的绿色优势产业视为战略竞争对手的战略优势产业，以高补贴、高关税为手段实施边追赶、边遏制的策略，力求以“脱钩断链”方式打压中国的既有绿色竞争优势。亚太广大发展中国家则需要绿色产业合作，需要来自中国的优质绿色技术及应用能力的帮助。一方面，广泛部署绿色技术有助于这些国家以低成本实现碳中和；另一方面，在产业梯度转移规律驱动下，中国绿色产业链的发展将为周边国家创造嵌入先进产业链的历史机遇。亚太绿色产业合作符合域内发展中国家既追求减排又兼顾增长的根本诉求，而亚太绿色产业竞争由政治诉求驱动违背市场规律将大幅折损区域绿色转型效率。

关键词：碳中和大国博弈亚太绿色产业链竞合

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基于视觉传达设计的农机操作界面优化研究

农机化研究 2025年第1期47卷 199-204页

作者：魏亚敏河南科技职业大学河南周口466000

近年来,随着农业机械智能化的不断发展与应用,农户对农业机械操控功能性、便捷性、易学性和人机交互的良好体验等提出了更高的要求;但是,目前市场上各类农业机械APP界面出现大量“雷同化”特点,难以满足不同农业机械的田间使用要求。为... 详细信息

近年来,随着农业机械智能化的不断发展与应用,农户对农业机械操控功能性、便捷性、易学性和人机交互的良好体验等提出了更高的要求;但是,目前市场上各类农业机械APP界面出现大量“雷同化”特点,难以满足不同农业机械的田间使用要求。为此,将“人机交互行为”作为设计目标,基于视觉传达技术,以谷物联合收获机操作界面为研究对象开展相关设计。同时,对谷物联合收获机操作界面图形、文字、色彩和设计风格进行分析,结果表明:优化后的农机操作界面能够显著提高操作员的操作效率和工作体验,降低操作错误率和疲劳程度。研究结果可为农业机械智能化操作界面的设计提供可参考的过程设计模型。

关键词：操作界面视觉信息交互谷物联合收获机

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