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滑移转向无人车轨迹跟踪控制策略研究

兵器装备工程学报 2024年第1期45卷 42-48页

作者：娄岱松朱纪洪杨嘉睿许志伟毛汉领广西大学机械工程学院南宁530004 清华大学精密仪器系北京100084

针对滑移转向车辆构型的无人车,通过建立车辆动力学和运动学模型,对LQR(linear quadratic regulator)最优控制算法进行改进,在速度环采用一种自抗滑移的前馈控制,设计了一种轨迹跟踪控制策略。前馈控制有效提高了横摆角速度响应速度,可... 详细信息

针对滑移转向车辆构型的无人车,通过建立车辆动力学和运动学模型,对LQR(linear quadratic regulator)最优控制算法进行改进,在速度环采用一种自抗滑移的前馈控制,设计了一种轨迹跟踪控制策略。前馈控制有效提高了横摆角速度响应速度,可进一步优化LQR估计器的参数矩阵,保证车辆在提高轨迹跟踪控制精度的同时不影响跟随稳定性。采用Trucksim与Simulink联合仿真进行验证,结果表明:在双移线测试工况下,使用该控制策略的无人车最大横向误差比在双PID控制下小0.086 m,误差收敛速度2.1 s,稳态误差振荡幅值比滑模控制小约0.05 m;不同车速和不同附着系数路面下,无人车最大横向误差浮动小于0.02 m,误差收敛速度不变,设计算法控制效果稳定,验证了其鲁棒性。

关键词：滑移转向轨迹跟踪 LQR算法前馈控制最优控制

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基于分数阶S面模型的四旋翼轨迹跟踪控制

兵器装备工程学报 2024年第3期45卷 286-292页

作者：李佳成陈鹏云常哲中北大学航空宇航学院太原030000

四旋翼无人机具有欠驱动、非线性、强耦合的特点。针对四旋翼无人机轨迹跟踪控制中跟踪精度低,抗外界干扰能力弱的特点,通过对四旋翼无人机进行四元数建模,使用误差四元数作为控制器输入,消除了无人机在机动角度过大时的奇点问题,提出... 详细信息

四旋翼无人机具有欠驱动、非线性、强耦合的特点。针对四旋翼无人机轨迹跟踪控制中跟踪精度低,抗外界干扰能力弱的特点,通过对四旋翼无人机进行四元数建模,使用误差四元数作为控制器输入,消除了无人机在机动角度过大时的奇点问题,提出了一种分数阶S面的控制方法,即将分数阶PID控制与S面控制融合,作为一个新的控制器。轨迹跟踪试验表明,分数阶S面控制器在四旋翼无人机控制模型中的累计误差明显小于分数阶PID,证明了该方法具有抗风扰能力强、跟踪精度高的特点。

关键词：四旋翼无人机四元数分数阶PID S面控制轨迹跟踪

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基于增量支配MPC的高速高精轨迹跟踪控制

华中科技大学学报(自然科学版) 2024年

作者：邵柏岩叶伯生金雄程罗智辉华中科技大学机械科学与工程学院

针对传统MPC难以满足高采样率快速系统实时性要求的问题，提出增量支配MPC方法。首先，引入二进制变量定义相邻控制量之间的支配关系，构建支配关系矩阵，并利用该矩阵使待求解的控制量受限，降低在线求解自由度。然后，为使控制器专注... 详细信息

针对传统MPC难以满足高采样率快速系统实时性要求的问题，提出增量支配MPC方法。首先，引入二进制变量定义相邻控制量之间的支配关系，构建支配关系矩阵，并利用该矩阵使待求解的控制量受限，降低在线求解自由度。然后，为使控制器专注于当前控制量的计算，利用状态量的平均误差和平均求解时间构建损失函数，并基于BiEO算法对支配关系矩阵中的受限部分进行优化，建立增量支配MPC。最后，利用MATLAB进行实验验证，证明本文方法在不影响控制平稳性的基础上，控制精度上小幅提升，实时性有大幅提升，控制域为50和70时，求解时间可分别降低43.06%和31.99%，优于现有方法。

关键词：轨迹跟踪模型预测控制 BiEO算法支配关系矩阵实时性

基于改进滑模控制的悬臂式掘进机轨迹跟踪技术

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工程设计学报 2024年第4期31卷 491-501页

作者：张旭辉李语阳杨文娟张超郑西利麻兵西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054

针对传统滑模控制在悬臂式掘进机轨迹跟踪中存在全局收敛速度慢、抖振显著等不足,提出了一种基于新型趋近律的改进滑模控制方法。通过在传统指数趋近律基础上引入掘进机机身的横向偏差、航向角偏差以及幂次趋近项,实现了掘进机轨迹偏差... 详细信息

针对传统滑模控制在悬臂式掘进机轨迹跟踪中存在全局收敛速度慢、抖振显著等不足,提出了一种基于新型趋近律的改进滑模控制方法。通过在传统指数趋近律基础上引入掘进机机身的横向偏差、航向角偏差以及幂次趋近项,实现了掘进机轨迹偏差的快速收敛以及抖振的削弱;同时,采用边界层法进一步抑制抖振,解决了趋近律中符号函数乘积项易引起抖振的问题。分析了新型趋近律的存在性、可达性以及稳定性,并推导了干扰稳态误差的区间。考虑掘进机的不确定扰动,对传统滑模控制与改进滑模控制方法进行了仿真对比。结果表明,改进滑模控制的控制精度、收敛速度及抗干扰能力均优于传统滑模控制。最后,通过搭建实验平台测试了掘进机轨迹跟踪控制系统的性能,验证了改进滑模控制方法的可行性和有效性。研究结果可为煤矿井下恶劣环境中采掘装备的智能控制提供重要参考。

关键词：悬臂式掘进机新型趋近律轨迹跟踪滑模控制

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基于事件触发的预设时间航天器轨迹跟踪控制

智能系统学报 2024年第3期19卷 661-669页

作者：郝勇贾登辉李晨洋李俊哈尔滨工程大学智能科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001

针对通信受限条件下的航天器轨迹跟踪问题,提出了一种基于事件触发的预设时间控制算法。为了满足不同任务场景下对航天器快速性的要求,本文设计了一种预设时间轨迹跟踪控制算法。结合反步控制理论及预设时间动态增益,最终实现轨迹跟踪... 详细信息

针对通信受限条件下的航天器轨迹跟踪问题,提出了一种基于事件触发的预设时间控制算法。为了满足不同任务场景下对航天器快速性的要求,本文设计了一种预设时间轨迹跟踪控制算法。结合反步控制理论及预设时间动态增益,最终实现轨迹跟踪系统的预设时间收敛。作为一种典型的网络化控制系统,航天器在执行任务过程中可能会受到自身通信能力的限制,造成通信阻塞、时延和丢包等问题。为此,本文提出了一种基于动态参数的事件触发算法,在保证系统控制精度的同时,一定程度上避免了控制中心与航天器本体间不必要的通信资源消耗。相比于传统的静态事件触发算法,文中基于动态参数的事件触发算法在减少通信频率方面更具优势。通过理论分析和仿真实验验证所提控制算法的有效性。

关键词：通信受限轨迹跟踪事件触发预设时间反步控制动态增益网络化控制系统动态参数

面向钢轴生产线的自动上下料机器人轨迹跟踪控制

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机械科学与技术 2024年

作者：季海阳马利娥马东昊任慧冉西安理工大学印刷包装与数字媒体学院

为了实现包装印刷设备中导向辊的钢轴自动上下料作业，研究复合机器人的六自由度机械臂控制方式。首先对钢轴上下料运动进行了分析，通过几何关系确定了机械臂末端定位误差范围，依据一定的模糊规则，设计了适合钢轴自动上下料作业的运... 详细信息

为了实现包装印刷设备中导向辊的钢轴自动上下料作业，研究复合机器人的六自由度机械臂控制方式。首先对钢轴上下料运动进行了分析，通过几何关系确定了机械臂末端定位误差范围，依据一定的模糊规则，设计了适合钢轴自动上下料作业的运动控制系统。然后以正弦波为期望轨迹进行机械臂的关节空间轨迹跟踪控制实验，并与传统PID控制进行对比分析，可以发现本文所设计的模糊PID相对传统PID具有更强的跟踪准确率，在面对外部信号的干扰时也能将关节角度的绝对误差控制在2.04°以内。最后进行了钢轴下料的仿真实验，结果表明采用模糊PID控制在x、y和z轴上的绝对误差分别为8.881mm、8.699mm以及3.175mm，所有误差都在允许范围内，说明本文所搭建的模糊PID控制器适用于钢轴自动上下料机械臂的轨迹跟踪控制。

关键词：六自由度机械臂轨迹跟踪模糊PID

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时变状态约束下四旋翼无人机轨迹跟踪控制

兵器装备工程学报 2024年第8期45卷 199-207,273页

作者：刘敏张义宽陈金山彭金喜薛笑荣广州软件学院广州510990 辽宁工业大学电子与信息工程学院辽宁锦州121001

针对外界扰动、模型不确定性以及时变状态约束情况下的四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题,设计了基于神经网络的自适应动态面控制方案。首先通过非线性变换将四旋翼无人机位置约束问题转换为新状态量的有界问题,采用神经网络对系统中的不确... 详细信息

针对外界扰动、模型不确定性以及时变状态约束情况下的四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题,设计了基于神经网络的自适应动态面控制方案。首先通过非线性变换将四旋翼无人机位置约束问题转换为新状态量的有界问题,采用神经网络对系统中的不确定项进行估计,在此基础上分别设计了位置和姿态自适应动态面控制率,并给出了该控制系统稳定性证明。最后设计了仿真试验,分别采用PD控制方法以及动态面控制方法与所设计的自适应动态面控制方法进行对比,结果验证了所设计控制方案的有效性和优越性。仿真结果表明,所设计的控制方案能够保证四旋翼无人机对期望位姿的稳定跟踪,无人机位置状态始终处于期望的时变约束范围之内。且相较于动态面控制方法,该控制方案对外界扰动、模型不确定性具有更好的抑制效果。

关键词：四旋翼无人机轨迹跟踪状态受限动态面控制飞行控制率

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基于MPC的球形机器人轨迹跟踪方法研究

兵器装备工程学报 2024年第7期45卷 290-297页

作者：刘春政陈志华应展烽靳一聪葛昊南京理工大学瞬态物理国家重点实验室南京210094 南京理工大学能源与动力工程学院南京210094

单摆驱动式球形机器人运动存在欠驱动和非线性特性,导致轨迹跟踪难度较大。为此,提出了一种基于模型预测控制(MPC)的球形机器人轨迹跟踪控制方法。该方法首先利用拉格朗日动力学模型和参考运动轨迹,结合泰勒线性展开和时域离散处理,得... 详细信息

单摆驱动式球形机器人运动存在欠驱动和非线性特性,导致轨迹跟踪难度较大。为此,提出了一种基于模型预测控制(MPC)的球形机器人轨迹跟踪控制方法。该方法首先利用拉格朗日动力学模型和参考运动轨迹,结合泰勒线性展开和时域离散处理,得到球形机器人运动状态偏差的预测模型。随后,以未来特定时段内轨迹跟踪误差最小为目标,在满足控制量和控制增量约束的条件下,利用二次规划对球形机器人长轴和短轴电机转矩进行滚动优化,同时在特定控制步长下不断根据优化结果进行电机转矩控制,最终实现对机器人参考轨迹的跟踪。仿真结果表明,与传统PID控制方法相比,所提MPC方法横向跟踪最大误差减少了0.664 4 m,纵向跟踪最大误差减少了0.112 1 m,跟踪误差曲线基本在0附近波动,具有明显的轨迹跟踪精度与稳定性优势。

关键词：球形机器人非线性动力学模型模型预测控制滚动优化轨迹跟踪

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考虑姿态稳定性的智能客车轨迹跟踪控制研究

北京理工大学学报 2024年第8期44卷 780-791页

作者：王洪亮范硕皮大伟范丁阁陈轶杰范晶晶南京理工大学机械工程学院江苏南京210094 中国北方车辆研究所北京100072 先进越野系统技术全国重点实验室北京100072 北方工业大学电气与控制工程学院北京100144 江苏智能无人装备产业创新中心有限公司江苏溧阳213300 江苏省商用车智能底盘工程研究中心江苏南京210094

针对智能客车行驶中遇到突发情况时驾驶员应急激烈操作以及车辆传感器识别误差导致车辆路径规划不合理引起的车辆侧翻,提出一种基于车身姿态稳定性的轨迹跟踪控制策略.根据现有主动防侧倾研究基础推导智能客车目标侧倾角算法,以横向载... 详细信息

针对智能客车行驶中遇到突发情况时驾驶员应急激烈操作以及车辆传感器识别误差导致车辆路径规划不合理引起的车辆侧翻,提出一种基于车身姿态稳定性的轨迹跟踪控制策略.根据现有主动防侧倾研究基础推导智能客车目标侧倾角算法,以横向载荷转移率为侧翻指标,采用卡尔曼滤波算法进行车辆参数估计,实现横向载荷转移率预测.根据智能客车横向载荷转移率预测值设计基于差动制动的纵向控制策略、考虑车身侧倾和俯仰运动的垂向控制策略以及轨迹跟踪横向控制策略,最后通过仿真验证上述策略控制效果.结果表明,基于车身姿态稳定性的轨迹跟踪控制策略在车辆行驶遇到突发情况驾驶员激烈操作时能够保证车辆行驶稳定,在智能客车轨迹跟踪过程中能降低车辆侧翻风险.

关键词：智能客车轨迹跟踪姿态稳定横向载荷转移率垂向控制侧翻风险