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基于强化学习的飞行器自主规避决策方法

航空科学技术 2024年第6期35卷 96-103页

作者：窦立谦任梦圆张秀云宗群天津大学天津300072

考虑飞行器在执行任务过程中存在诸多不可预知的威胁或障碍,为保障飞行器的安全性,本文进行飞行器面向威胁目标的自主规避决策方法研究。首先综合考虑飞行器与威胁目标行为之间的相互影响,提出了基于深度长短期记忆(LSTM)神经网络的轨... 详细信息

考虑飞行器在执行任务过程中存在诸多不可预知的威胁或障碍,为保障飞行器的安全性,本文进行飞行器面向威胁目标的自主规避决策方法研究。首先综合考虑飞行器与威胁目标行为之间的相互影响,提出了基于深度长短期记忆(LSTM)神经网络的轨迹预测算法,实现对威胁目标未来轨迹的预测;然后结合预测信息构建拦截场景下规避机动的马尔可夫决策过程,设计了基于改进双延迟深度确定性策略梯度(P-TD3)的飞行器规避决策方法,以最大化规避过程的总收益为优化目标,实现飞行器自主规避决策。最后通过在虚拟仿真交互平台的试验验证,本文的决策方法提升了网络的收敛速度,具有84%的规避成功率,提高了飞行器对潜在威胁的成功规避概率,有利于增强飞行器的自主性与安全性。

关键词：高超声速飞行器强化学习双延迟深度确定性策略梯度自主规避机动决策

Research on Attitude Control of Re-entry for Reusable Launch Vehicles Based on Adaptive Neural Network

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Research on Attitude Control of Re-entry for Reusable Launch...

Robust Trajectory Tracking Control for Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle Based on Extended State Observer

第36届中国控制会议

作者： liqian dou Qi Mao Xiaodi Tian School of Electrical Engineering and Automation

ISBN: (纸本)9781538629185

This paper investigates the attitude control problem of re-entry Reuseable Launch Vehicles（RLV） with unknown nonlinear *** adaptive RBF neural network is employed to approximate the unknown functions,and neural network structure with a neural controller and a saturation compensator are designed to reduce the effects of the approximation *** addition,to optimize the initial parameters of adaptive RBF neural network,a mind evolutionary algorithm is ***,the adaptive laws of the control system are derived based on Lyapunov stability theorem so that the asymptotical stability of the system can be ***,Numerical examples are presented to verify the effectiveness of proposed method.

关键词： Reuseable launch vehicles Adaptive RBF neural network Attitude control

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Robust Trajectory Tracking Control for Quadrotor Unmanned Ae...

基于ESO和反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制

第36届中国控制会议

作者： liqian dou Tao Chen Fei Lu Lipeng Yan School of Electrical Engineering and Automation SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering

ISBN: (纸本)9781538629185

In this paper, a robust trajectory tracking control for the underactuated quadrotor unmanned aerial vehicle（UAV） based on extended state observer（ESO） is proposed. In the presence of external disturbances and inner model parameter uncertainty,it guaranteed that the position and yaw angle could track the reference signal speedily and smoothly. According to the strict feedback architecture of the system, the backstepping control is adapted to design the controller. For avoiding the complex calculation, the interference is observed by ESO and the algorithm composites the interference in the control law. For avoiding the problem of explosion of terms in backstepping control and improving the robust, the dynamic surface control method and the sliding mode surface are applied to design the controller. The closed-loop control system is analyzed and the sufficient stability conditions are derived based on Lyapunov theory. Numerical examples are presented to verify the proposed method.

关键词： Quadrotor UAV Extended state observer backstepping control

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2017年第5期50卷 500-506页

作者：窦立谦芦飞天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072

针对欠驱动四旋翼飞行器提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)和反步法的轨迹跟踪控制策略.在外界环境干扰和系统参数摄动等不确定性的影响下,保证空间位置和偏航角可以快速平滑地跟踪给定信号.根据系统严格反馈的结构特点,采用反步法设... 详细信息

针对欠驱动四旋翼飞行器提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)和反步法的轨迹跟踪控制策略.在外界环境干扰和系统参数摄动等不确定性的影响下,保证空间位置和偏航角可以快速平滑地跟踪给定信号.根据系统严格反馈的结构特点,采用反步法设计内外环路的控制器;为避免控制过程中的复杂计算,采用ESO对系统的复合干扰进行在线实时估计,并在控制律中进行实时补偿;为避免反步控制导致的"微分爆炸"问题,减小对系统模型的依赖性,采用了动态面策略,以及为提高系统的鲁棒性,引入了滑模面.稳定性分析表明闭环控制系统是全局渐进稳定的.仿真结果验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性.

关键词：四旋翼轨迹跟踪扩张观测器反步法动态面滑模面

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基于干扰观测器的分布式四旋翼编队跟踪控制

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2018年第8期51卷 817-824页

作者：窦立谦陈涛毛奇天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072

针对具有模型不确定性和外部干扰的一组欠驱动四旋翼飞行器提出了一种基于干扰观测器的分布式编队跟踪控制策略.根据系统严格反馈的结构特点,将四旋翼的动力学模型划分为位置子系统和姿态子系统.首先,根据快速终端滑模方法(FTSM)设计了... 详细信息

针对具有模型不确定性和外部干扰的一组欠驱动四旋翼飞行器提出了一种基于干扰观测器的分布式编队跟踪控制策略.根据系统严格反馈的结构特点,将四旋翼的动力学模型划分为位置子系统和姿态子系统.首先,根据快速终端滑模方法(FTSM)设计了一个干扰观测器作为复合干扰的估计器;其次,基于图论和快速终端滑模技术,设计了分布式编队跟踪控制器来实现编队的形成和保持;并在两个子系统之间,引入三阶积分滤波器对姿态子系统的虚拟输入及其导数进行估计;最后,稳定性分析表明闭环控制系统是全局渐进稳定的.仿真结果表明所提出的分布式控制器是有效的.

关键词：四旋翼分布式编队跟踪干扰观测器快速终端滑模

基于补偿控制器的可重复使用运载器自适应模糊姿态控制

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2017年第12期50卷 1241-1248页

作者：窦立谦毛奇苏沛华天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072

针对可重复使用运载器再入段参数不确定性和外界干扰问题,提出一种基于补偿控制器的自适应模糊姿态控制策略.首先,建立飞行器六自由度动态模型,并将模型转化为严反馈形式姿态控制系统.其次,将外界干扰与参数不确定性共记为系统不确定性... 详细信息

针对可重复使用运载器再入段参数不确定性和外界干扰问题,提出一种基于补偿控制器的自适应模糊姿态控制策略.首先,建立飞行器六自由度动态模型,并将模型转化为严反馈形式姿态控制系统.其次,将外界干扰与参数不确定性共记为系统不确定性项,并设计模糊控制器进行在线自适应逼近.为消除模糊建模误差对系统控制性能与稳定性的不利影响,引入补偿控制器以改善飞行器姿态角跟踪性能.再次,基于Lyapunov理论证明了系统的稳定性且姿态跟踪误差收敛于小邻域中.最后,基于类X-37B六自由度模型仿真验证了所提出控制策略的有效性.

关键词：可重复使用运载器姿态控制模糊控制补偿控制器

可重复使用飞行器再入姿态的区间二型自适应模糊滑模控制设计

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北京航空航天大学学报 2020年第4期46卷 781-790页

作者：杨珍书毛奇窦立谦江苏航空职业技术学院航空工程学院镇江市无人机应用创新重点实验室镇江212134 天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072

针对具有强非线性、多变量耦合特性的可重复使用飞行器(RLV),同时考虑模型参数不确定性和外界干扰对飞行器再入姿态跟踪的影响,提出了一种基于区间二型自适应模糊滑模的姿态控制方法。首先,建立飞行器再入动态模型,并基于反步思想将控... 详细信息

针对具有强非线性、多变量耦合特性的可重复使用飞行器(RLV),同时考虑模型参数不确定性和外界干扰对飞行器再入姿态跟踪的影响,提出了一种基于区间二型自适应模糊滑模的姿态控制方法。首先,建立飞行器再入动态模型,并基于反步思想将控制模型转化为姿态角和角速率相关子系统。其次,将模型参数不确定性和外界干扰视作子系统非线性项的一部分。再次,采用区间二型模糊系统逼近子系统非线性项,并结合自适应技术和滑模控制方法分别设计虚拟控制量和实际控制量。此外,引入一阶低通滤波器用以处理子系统虚拟控制律。通过Lyapunov方法的分析证明了闭环控制系统的稳定性,且飞行器姿态跟踪误差可收敛于原点附近的小邻域。最后,利用飞行器的数值仿真验证了所设计控制方法能有效跟踪飞行器参考指令,且对外界干扰有较强的鲁棒性。

关键词：可重复使用飞行器(RLV) 姿态控制再入段区间二型自适应模糊系统滑模控制

Analysis of the impact of translating cowl on hypersonic vehicle performance

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Analysis of the impact of translating cowl on hypersonic veh...

第26届中国控制与决策会议

作者： liqian dou Yuye Shen Ran Ji School of Electrical Engineering ＆ Automation the Tianjin Key Laboratory of Process Measurement and ControlTianjin University

For the power plant of hypersonic vehicle – scramjet, this work mainly studies the effects of the translating cowl of inlet on the static and dynamic performance of the hypersonic vehicle. The results indicate that the effects of the cowl on lift and drag can be negligible, while the effects of the cowl on thrust and pitching moment are significant. The cowl makes thrust-drag ratio bigger and the accelerated conditions corresponding angle of attack range larger. The cowl increases the degree of flexible deformation, but in total this effects can be negligible. For the balance states, the elevator deflection angle needed becomes bigger to offset the additional pitching moment;a smaller angle of attack and stoichiometrically normalized fuel equivalence ratio（FER） needed generate enough thrust to reach a certain speed and height, thereby the flight left margin considering viscous is expanded. The article also analyzes the effects of a translating cowl on open-loop poles and zeros of the typical transfer function of the linear model, and found the RHP unstable zeros was away from the imaginary axis, the flight control system bandwidth limit can be slightly widened. This article provides the basis theoretical study for further controller design of the hypersonic vehicle.

关键词： translating cowl of inlet thrust-drag ratio structure flexible zero-pole point flying boundary

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黏性效应对高超声速飞行器特性的影响分析

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2015年第11期48卷 981-988页

作者：窦立谦申玉叶冀然天津大学电气与自动化工程学院天津300072

针对高超声速飞行器的黏性效应,采用参考温度法建立高超声速飞行器气动黏性模型,对比研究了黏性效应对气动特性的影响.考虑到气动热使飞行器壁面温度升高的情况,分析了黏性阻力及飞行器弹性形变随壁面温度变化的规律,并对比研究了黏性... 详细信息

针对高超声速飞行器的黏性效应,采用参考温度法建立高超声速飞行器气动黏性模型,对比研究了黏性效应对气动特性的影响.考虑到气动热使飞行器壁面温度升高的情况,分析了黏性阻力及飞行器弹性形变随壁面温度变化的规律,并对比研究了黏性效应对飞行器控制量(舵偏角与燃料当量比)的影响.最后,在考虑发动机热堵塞现象下,研究了黏性效应对飞行器高度、速度边界值的影响.结果表明:黏性效应主要影响飞行器阻力;黏性阻力随马赫数增大而增大,随高度升高而减小;随壁面温度升高,黏性阻力升高,黏性推阻比降低,机体弹性形变更加严重;黏性效应使飞行器飞行高度、速度边界区间变窄.

关键词：气动热黏性效应参考温度壁面温度结构弹性飞行边界