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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

作者：王洪亮范硕皮大伟范丁阁陈轶杰范晶晶中国北方车辆研究所江苏省商用车智能底盘工程研究中心南京理工大学机械工程学院先进越野系统技术全国重点实验室江苏智能无人装备产业创新中心有限公司江苏北方工业大学

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... 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

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仿蛙跳跃机器人的空中姿态稳定控制系统研究

仿蛙跳跃机器人的空中姿态稳定控制系统研究

作者：马维良哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

跳跃机器人拥有着良好的环境适应能力,可以在复杂的地理环境下进行探索任务。现有的跳跃机器人大多以弹簧或气缸作为驱动元件,电机及压缩气体为动力源,进行一次跳跃过程后,能够再次进行跳跃的难度较大。为了方便进行连续跳跃,本文在已... 详细信息

跳跃机器人拥有着良好的环境适应能力,可以在复杂的地理环境下进行探索任务。现有的跳跃机器人大多以弹簧或气缸作为驱动元件,电机及压缩气体为动力源,进行一次跳跃过程后,能够再次进行跳跃的难度较大。为了方便进行连续跳跃,本文在已有的仿蛙跳跃机器人平台的基础上,设计了一种适用于跳跃机器人的空中姿态调节的装置,并提出了姿态控制方法。本文首先针对姿态稳定任务对跳跃机器人进行了结构优化设计,使其具备姿态稳定能力,并针对结构设计不合理的地方进行分析及优化。对新的仿蛙跳跃机器人进行运动学及动力学建模,包括准备阶段以及滞空阶段的模型。使用拉格朗日方程对简化的机器人模型进行动力学建模,使用Simulink Simscape进行动力学仿真,得到此机器人的线速度、角速度的变化规律,分析了机器人姿态不稳定的原因。其次,受到卫星的姿态调整机构的启发,将航天领域常用的姿态调整部件飞轮用于跳跃机器人。本文从理论上分析了跳跃机器人与卫星姿态控制的相似性,并提出了利用动量矩守恒原理来控制机器人空中姿态的方法,并对其原理进行仿真验证。选用了无刷电机来实现此功能,于是对飞轮所需电机进行建模分析,并使用PD速度控制器对无刷电机进行速度控制,利用Simulink进行了仿真分析。提出了一种姿态规划方法,令跳跃机器人在着陆时前肢关节所受力矩最小,得出了前肢调整角以及姿态调整角,为后续控制提供控制目标。再次,设计了机器人的控制系统,包括下位机软件、硬件和控制算法。将多种传感器用于跳跃机器人的姿态、距离、压力检测,便于分析跳跃过程。使用卡尔曼滤波对姿态传感器采集的数据进行处理,得到实时的角位置和各轴加速度。提出了两种基于电机启动转矩大小的控制策略,第一种是以降低机器人自旋角速度为控制目标,用于低转矩电机。第二种是基于前馈PID控制的位置控制,通过前馈控制器提高系统的响应速度,并使用PID控制进行姿态角的跟踪控制,用于高转矩电机。在仿真中均得到了有效的验证。最后,搭建了姿态测试实验平台,上位机的软件编写,测试了飞轮系统的响应速度,使用实验验证了飞轮对固定状态下的机器人的姿态调整的原理。最后测试了姿态调整机构在实际跳跃过程中的有效性,验证了姿态稳定系统的有效性。

关键词：仿蛙跳跃机器人飞轮系统姿态稳定姿态规划

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受油机指定时间姿态稳定控制

航空学报 2022年第2期43卷 368-376页

作者：吴慈航闫建国钱先云郭一鸣屈耀红西北工业大学自动化学院西安710072 航空工业第一飞机设计研究院西安710089

针对空中加油任务受油阶段受油机姿态稳定的需求,考虑受油机时变转动惯量、不确定转动惯量和风干扰的影响,提出了一种受油机指定时间姿态稳定控制策略。首先,建立了含时变转动惯量、内部不确定性和外部扰动下的受油机姿态动力学和运动... 详细信息

针对空中加油任务受油阶段受油机姿态稳定的需求,考虑受油机时变转动惯量、不确定转动惯量和风干扰的影响,提出了一种受油机指定时间姿态稳定控制策略。首先,建立了含时变转动惯量、内部不确定性和外部扰动下的受油机姿态动力学和运动学模型;其次,为了提高姿态稳定的快速性和确定性,使用指定时间稳定理论作为基础,设计了受油机姿态稳定鲁棒滑模控制器。与现有受油机控制策略相比,所提出的控制器优势在于可确保受油机在指定的时间内实现姿态稳定。同时,收敛时间显式存在于控制器参数中,设计者可根据任务需求和执行机构的物理限制,在允许的范围内自由调控。李雅普诺夫稳定性分析和数字仿真结果表明,该控制策略具有良好的控制性能,可实现指定时间稳定。

关键词：指定时间稳定性滑模控制空中加油受油机姿态稳定

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受油机指定时间姿态稳定控制研究

航空学报 2021年

作者：吴慈航闫建国钱先云郭一鸣屈耀红西北工业大学自动化学院航空工业第一飞机设计研究院

针对空中加油任务受油阶段受油机姿态稳定的需求，考虑受油机时变转动惯量、不确定转动惯量和风干扰的影响，提出了一种受油机指定时间姿态稳定控制策略。首先，建立了含时变转动惯量、内部不确定性和外部扰动下的受油机姿态动力学和运... 详细信息

针对空中加油任务受油阶段受油机姿态稳定的需求，考虑受油机时变转动惯量、不确定转动惯量和风干扰的影响，提出了一种受油机指定时间姿态稳定控制策略。首先，建立了含时变转动惯量、内部不确定性和外部扰动下的受油机姿态动力学和运动学模型；其次，为了提高姿态稳定的快速性和确定性，使用指定时间稳定理论作为基础，设计了受油机姿态稳定鲁棒滑模控制器。与现有受油机控制策略相比，所提出的控制器优势在于可确保受油机在指定的时间内实现姿态稳定。同时，收敛时间显式存在于控制器参数中，设计者可根据任务需求和执行机构的物理限制，在允许的范围内自由调控。李雅普诺夫稳定性分析和数字仿真结果表明，该控制策略具有良好的控制性能，可实现指定时间稳定。

关键词：指定时间稳定性滑模控制空中加油受油机姿态稳定

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姿态稳定火箭弹射程预测仿真研究

兵工学报 2005年第2期26卷 155-158页

作者：张成杨树兴北京理工大学机电工程学院北京100081

采用姿态稳定技术后远程火箭弹的横向散布得到有效改善 ,但纵向散布仍然较大 ,需要进一步对射程进行修正。射程修正的基础是对射程的准确预测 ,本文在弹道特征分析的基础上 ,提出了一些射程预测的方法。

关键词：流体力学射程修正射程预测姿态稳定火箭弹

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轨道机动时考虑延迟的卫星姿态稳定控制方法

宇航学报 2011年第2期32卷 290-296页

作者：张钊胡军北京控制工程研究所北京100190 空间智能控制技术重点实验室北京100190

轨道机动时,测量与传输延迟,以及偏心推力对卫星姿态的持续扰动,造成传统的姿态稳定控制方法控制性能下降。为了克服这些问题,设计了对外扰与状态同时估计的闭环-开环预测器。在外扰力矩定常的假设下,给出了此种估计器对状态与外扰的预... 详细信息

轨道机动时,测量与传输延迟,以及偏心推力对卫星姿态的持续扰动,造成传统的姿态稳定控制方法控制性能下降。为了克服这些问题,设计了对外扰与状态同时估计的闭环-开环预测器。在外扰力矩定常的假设下,给出了此种估计器对状态与外扰的预测都收敛的判定准则。利用估计出的外部扰动前馈补偿推力偏心干扰力矩,同时利用预测出的系统状态设计状态反馈控制器。通过求解两个代数Riccati方程,设计最优状态反馈增益和预测器增益。这种简单的前馈反馈结构具有良好的工程可实现性,同时仿真结果显示,该方法可以有效克服延迟和干扰的影响,提高卫星轨道机动时本体姿态稳定精度。

关键词：时间延迟外扰估计轨道机动姿态稳定

具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制

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计算机测量与控制 2024年第5期32卷 94-101页

作者：郑潇何德峰王巧灵马家腾浙江工业大学信息工程学院杭州310023

为了解决四旋翼无人机飞行过程中的姿态控制问题,考虑受到执行器输入约束和外界未知扰动影响,设计了一种具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制方法;设计简化的四旋翼无人机姿态动力学模型,降低控制器设计的复杂程... 详细信息

为了解决四旋翼无人机飞行过程中的姿态控制问题,考虑受到执行器输入约束和外界未知扰动影响,设计了一种具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制方法;设计简化的四旋翼无人机姿态动力学模型,降低控制器设计的复杂程度,设计带有输入约束的控制器,模拟饱和输入现象,实现饱和输入下的四旋翼姿态稳定控制;设计风扰观测器,实现对外部未知扰动的估计,有效跟踪外部持续扰动,并由此设计扰动补偿律;围绕代价函数设计带有扰动补偿律的最优控制律,作用于四旋翼姿态系统,实现四旋翼无人机姿态的稳定控制;最后进行数值仿真,设置风扰观测器参数λ_(i)为0.25,预测时域N_(p)为10,控制时域N_(c)为9,仿真测试文章方法与不带观测器的非线性预测控制方法(NMPC),验证文章控制方法的有效性和优越性。

关键词：输入约束扰动补偿四旋翼姿态稳定模型预测控制

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侧喷流直接力控制的运载器姿态稳定问题研究

宇航学报 2009年第5期30卷 1902-1906页

作者：孙平刘昆国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

利用侧向喷流对小型固体运载器进行姿态稳定控制具有降低运载器成本和提高起飞质量的优点。研究具有开关型姿态控制发动机的运载器的姿态稳定问题。首先分析了系统的特点和控制器设计问题,建立了控制模型。然后应用描述函数对系统的非... 详细信息

利用侧向喷流对小型固体运载器进行姿态稳定控制具有降低运载器成本和提高起飞质量的优点。研究具有开关型姿态控制发动机的运载器的姿态稳定问题。首先分析了系统的特点和控制器设计问题,建立了控制模型。然后应用描述函数对系统的非线性特性进行伪线性化,通过几何方法分析Nyqu ist图中系统线性部分与非线性部分描述函数的关系实现鲁棒极限环控制器,给出控制器形式和参数范围,最后针对时域、频域综合指标,运用精英非支配解排序遗传算法对控制器参数进行优化。仿真结果表明系统具有良好的动态、稳态性能,控制器具有很强的鲁棒性。

关键词：描述函数鲁棒极限环多目标优化姿态稳定

具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制

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计算机测量与控制 2023年

作者：郑潇何德峰王巧灵马家腾浙江工业大学信息工程学院

为了解决四旋翼无人机飞行过程中的姿态控制问题，考虑受到执行器输入约束和外界未知扰动影响，设计了一种具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制方法；设计简化的四旋翼无人机姿态动力学模型，降低控制器设计的复... 详细信息

为了解决四旋翼无人机飞行过程中的姿态控制问题，考虑受到执行器输入约束和外界未知扰动影响，设计了一种具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制方法；设计简化的四旋翼无人机姿态动力学模型，降低控制器设计的复杂程度，设计带有输入约束的控制器，模拟饱和输入现象，实现饱和输入下的四旋翼姿态稳定控制；设计风扰观测器，实现对外部未知扰动的估计，有效跟踪外部持续扰动，并由此设计扰动补偿律；围绕代价函数设计带有扰动补偿律的最优控制律，作用于四旋翼姿态系统，实现四旋翼无人机姿态的稳定控制；最后进行数值仿真，设置风扰观测器参数λi为0.25，预测时域Np为10，控制时域Nc为9，仿真测试本文方法与不带观测器的非线性预测控制方法(NMPC)，验证本文控制方法的有效性和优越性。

关键词：输入约束扰动补偿四旋翼姿态稳定模型预测控制