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多无人机仿射编队的抗扰控制设计

控制与决策 2024年

作者：鲜斌刘佳妮姜鹏志天津大学电气自动化与信息工程学院航天神舟飞行器有限公司

多无人机仿射编队控制能够根据编队需求实现灵活的编队机动.针对存在外界未知扰动情况下的多无人机编队形成及变换问题,研究多无人机仿射编队抗扰控制及编队形成与变换过程中的避碰问题.首先,针对在外界干扰情况下仿射编队形成及变换问... 详细信息

多无人机仿射编队控制能够根据编队需求实现灵活的编队机动.针对存在外界未知扰动情况下的多无人机编队形成及变换问题,研究多无人机仿射编队抗扰控制及编队形成与变换过程中的避碰问题.首先,针对在外界干扰情况下仿射编队形成及变换问题,设计一种基于误差符号函数积分(RISE)的鲁棒控制算法.该控制算法能够对未知外界扰动造成的影响进行有效的补偿,提高多无人机仿射编队控制的鲁棒性.然后,基于Lyapunov分析法证明了编队控制系统的稳定性.针对多无人机机间避碰问题,利用缓冲维诺单元对无人机飞行区域进行分离,在仿射编队形成及变换过程中保证无人机间的碰撞避免.针对避碰过程中可能出现的死锁问题,提出一种启发式算法使无人机能够顺利从死锁中恢复.最后,使用室内实验平台验证所提出算法的有效性.

关键词：多无人机仿射编队控制分布式控制抗扰控制机间避碰实验验证

侧向推搡下的四轮移动机器人运动抗扰控制技术

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机械设计与研究 2024年第3期40卷 41-45页

作者：刘子源谢雪丹徐善智山西能源学院电气与控制工程系太原030006 中北大学太原030051

四轮移动机器人在受到外力干扰的情况下可能会出现不稳定、偏离预定轨迹或失去平衡等问题。为了提高机器人的稳定性和抗干扰能力,在侧向推搡情况下提出了四轮移动机器人运控抗扰控制方法。通过动力学模型,设置受侧向推搡影响的机器人参... 详细信息

四轮移动机器人在受到外力干扰的情况下可能会出现不稳定、偏离预定轨迹或失去平衡等问题。为了提高机器人的稳定性和抗干扰能力,在侧向推搡情况下提出了四轮移动机器人运控抗扰控制方法。通过动力学模型,设置受侧向推搡影响的机器人参数,分析机器人完成主动侧摆需要满足的条件,并对其主动侧摆时的步态展开设计以保持机身稳定性;实验结果表明,该方法的轨迹跟踪较为精准,对四轮移动机器人进行控制时,左右两轮的力矩变化幅度较小,抗扰控制效果较好。

关键词：四轮机器人侧向推搡抗扰控制动力学参数稳定控制

变排量非对称轴向柱塞泵抗扰控制及并行整定方法

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工程设计学报 2022年第4期29卷 401-409页

作者：宁志强卫立新权龙赵美卿高有山太原科技大学机械工程学院山西太原030024 山西工程技术学院机械电子工程系山西阳泉045000 太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024

针对变排量非对称轴向柱塞泵因斜盘振荡严重而引起流量脉动较大的问题,提出将变量阻力矩视作干扰信号,采用抗扰控制算法来提高其变排量控制性能。通过SimulationX和Simulink平台联合仿真,对比在不同频率的变量阻力矩作用时常规PID(propo... 详细信息

针对变排量非对称轴向柱塞泵因斜盘振荡严重而引起流量脉动较大的问题,提出将变量阻力矩视作干扰信号,采用抗扰控制算法来提高其变排量控制性能。通过SimulationX和Simulink平台联合仿真,对比在不同频率的变量阻力矩作用时常规PID(proportion integration differentiation,比例积分微分)控制、指数收敛干扰观测器控制、非线性PID控制、自抗扰控制和滑模控制下变排量非对称轴向柱塞泵斜盘角度的响应特性,以得到最合适的抗扰控制算法。在此基础上,提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)的控制参数并行整定方法。仿真结果表明,在10,20和100 Hz干扰信号的作用下,滑模控制下变排量非对称轴向柱塞泵斜盘角度的波动量为常规PID控制下的1.7%,2.2%和23.0%,说明滑模控制算法能大幅减小斜盘振荡和流量脉动。基于PSO的控制参数并行整定方法有效地减小了滑模控制的跟踪误差,整定后的最大超调量减小了87.5%;且该并行整定方法可脱离专业仿真软件,与SimulationX平台仿真相比,其仿真效率提高了10倍以上。研究结果对常规液压控制系统的仿真优化有一定参考价值。

关键词：变排量非对称轴向柱塞泵变量阻力矩抗扰控制粒子群优化并行整定

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交直流混合配网多逆变器分布式协同抗扰控制

上海交通大学学报 2023年

作者：全少理于昊正马杰王炜宇郭勇陈春国网河南省电力公司经济技术研究院长沙理工大学电气与信息工程学院

电力电子设备的强非线性、模型误差以及外部系统扰动，给配电网的电压稳定控制带来巨大挑战。多逆变器分布式协同抗扰控制是提升配电网电压稳定性的一种新型思路，首先将复杂的逆变器高维模型转换为输入-输出等效模型，利用高增益扩展... 详细信息

电力电子设备的强非线性、模型误差以及外部系统扰动，给配电网的电压稳定控制带来巨大挑战。多逆变器分布式协同抗扰控制是提升配电网电压稳定性的一种新型思路，首先将复杂的逆变器高维模型转换为输入-输出等效模型，利用高增益扩展状态观测器对系统中多种扰动影响进行估计，同时根据一致性协同控制理论设计了多逆变器的分布式协同控制策略，结合扰动估计结果，实现逆变器网络的电压协同控制和主动扰动抑制。为确保协同控制的动态性能，从图论和网络控制的角度提出了通信拓扑优选方法。在PowerFactory中搭建了由四个逆变器构成的配电网测试系统，仿真结果表明所提控制策略和通信拓扑优选方法能够实现多逆变器的电压协同跟踪调控以及扰动抑制。

关键词：配电网高增益观测分布式控制一致性理论抗扰控制

基于扩张状态观测器的双永磁同步电机同步抗扰控制

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组合机床与自动化加工技术 2023年第5期 110-114,119页

作者：吴涛赖悟行陶栩佃松宜四川大学电气工程学院成都610065 四川三联新材料有限公司成都610100

对于双永磁同步电机系统中由于参数摄动和随机摩擦扰动引发的转速失同步现象,提出了一种新的双永磁同步电机滑模控制方法。首先,设计了扩张状态观测器去估计系统状态与实时扰动,并结合滑模跟踪控制器来提高电机在扰动作用下的跟踪性能;... 详细信息

对于双永磁同步电机系统中由于参数摄动和随机摩擦扰动引发的转速失同步现象,提出了一种新的双永磁同步电机滑模控制方法。首先,设计了扩张状态观测器去估计系统状态与实时扰动,并结合滑模跟踪控制器来提高电机在扰动作用下的跟踪性能;其次,将交叉耦合结构与滑模同步控制器结合,对电机转速的同步误差进行抗扰控制并且提升系统的同步性能。仿真结果表明,扩张状态观测器能准确估计电机系统机械角、转速及系统总扰动;设计的滑模控制器能够有效提高电机系统在扰动作用下的跟踪与同步控制性能。

关键词：双电机控制同步控制扩张观测器滑模控制抗扰控制

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基于深度强化学习的无人机抗扰控制研究

基于深度强化学习的无人机抗扰控制研究

作者：赵贺哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

四旋翼无人机由于具有机动灵活、可扩展性高等众多优点,近年来得到了越来越广泛的应用。四旋翼无人机使用场景较为复杂,这就对其控制器的抗扰性能提出了极高要求,而四旋翼无人机作为一个强耦合欠驱动系统,控制器设计比较困难。深度强化... 详细信息

四旋翼无人机由于具有机动灵活、可扩展性高等众多优点,近年来得到了越来越广泛的应用。四旋翼无人机使用场景较为复杂,这就对其控制器的抗扰性能提出了极高要求,而四旋翼无人机作为一个强耦合欠驱动系统,控制器设计比较困难。深度强化学习作为一种通过与环境交互进行自我迭代的机器学习方法,为解决复杂系统的控制问题提供了新的思路。本文对基于强化学习的无人机抗扰控制方法进行了相关研究,主要内容有:基于深度强化学习算法提出了一种PID-DRL无人机抗扰控制方法。该方法将深度强化学习的输出作为PID控制器输出控制量的补偿,经过了两组仿真实验的验证,证明该控制器可以取得优于单独使用PID控制器的控制效果,且具有比单独使用深度强化学习作为控制器更快的收敛速度。基于模仿学习中的行为克隆提出了一种深度强化学习无人机抗扰控制器策略网络的预训练方法。在强化学习训练前,以监督学习的方式利用先验信息对控制器中的策略网络进行预训练,以减少基于深度强化学习的控制器在训练初期的随机探索,增加训练过程的安全性和稳定性,并通过仿真实验对这一方法进行了验证。基于四旋翼无人机在运动学和动力学上的对称特性,提出了一种四旋翼无人机深度强化学习控制器的数据集扩充训练方法,以增加训练数据的利用率,缩短控制器的训练过程,降低训练成本,并在仿真实验中验证了该训练方法的有效性。设计并实现了一套室内四旋翼无人机实验平台,实验平台具有体积小、安全性高、易于二次开发等特点,适合用于无人机控制算法等验证工作。在该实验平台上,进行了上述四旋翼无人机抗扰算法以及部分改进方法的实物实验,验证了所提出方法的有效性。

关键词：深度强化学习四旋翼无人机抗扰控制模仿学习

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应用视觉的无人机外力估计与抗扰控制研究

应用视觉的无人机外力估计与抗扰控制研究

作者：邱国鹏西南科技大学

学位级别：硕士

近年来,四旋翼无人机迅速应用到空中作业、物流运输和农业等领域。由于应用场景的多样化与非结构化,其作业时所受外力愈加复杂。考虑抗扰控制和碰撞检测等任务需要利用外力,因此对无人机所受的外力,设计估计器用于抗扰控制和碰撞检测具... 详细信息

近年来,四旋翼无人机迅速应用到空中作业、物流运输和农业等领域。由于应用场景的多样化与非结构化,其作业时所受外力愈加复杂。考虑抗扰控制和碰撞检测等任务需要利用外力,因此对无人机所受的外力,设计估计器用于抗扰控制和碰撞检测具有重要研究意义。然而,响应滞后、依赖较多和噪声大等问题对外力估计提出了许多挑战。考虑近年计算机视觉在无人机的定位、导航和避障中的应用愈加广泛,因此主要研究通过视觉获取位姿来估计无人机外力的方法,并将其应用到无人机轨迹跟踪抗扰控制中,主要研究内容如下:(1)研究了四旋翼无人机系统模型。通过刚体变换和牛顿-欧拉法推导了四旋翼无人机运动学模型和动力学模型,在此基础上引入广义动量到四旋翼无人机中。(2)提出一种了应用视觉的外力估计器。首先,针对目前视觉惯性系统的外力估计方法不考虑外力矩以及IMU和视觉无法测量姿态角加速度的问题,本课题提出了不依赖加速度的快速超扭曲动量观测器(Fast Super-Twisting Momentum Observer,FSTMO)外力矩估计方法。然后,采用滤波的方法融合视觉和IMU以获取速度信息。最后,分别在Matlab/Simulink和ROS中和常用算法进行了对比实验,结果表明:所提算法的外力矩估计性能有明显提升。(3)设计了引入外力补偿的无人机抗扰控制器。首先,设计了无人机轨迹跟踪分层控制框架,实现了无外力下的无人机轨迹跟踪。其次,对姿态控制器进行改进,在姿态环引入了抗输入饱和的条件超扭曲算法(Conditioned-STA,CSTA),并在CSTA中加入线性项和外力矩估计项以得到线性带补偿的LCCSTA。然后,在位置控制器中引入了外力估计项。最后,在Matlab/Simulink中进行了抗扰控制的对比实验,实验结果表明:LCCSTA相比PID和CSTA具有更强的抗外力扰动性能。(4)在实际系统中对所提算法进行了验证。首先,在室内搭建了无人机实验平台。然后,开发和调试了所需非标硬件并对实验设备进行了标定。最后,在实验平台中设计并完成了外力估计和抗扰控制实验。

关键词：无人机外力估计动量观测器超扭曲算法视觉惯性系统抗扰控制

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基于神经网络的四旋翼吊挂无人机抗扰控制

基于神经网络的四旋翼吊挂无人机抗扰控制

作者：严茜南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来,带吊挂负载四旋翼无人机系统已被广泛应用于各个领域。特别是在货物运送及人员救援应用中,此类系统能够高效地实现低成本物资运送,保证极端条件下物资运送的可达性。但由于其欠驱动、强耦合特性,且在飞行过程中易受未知因素的影... 详细信息

近年来,带吊挂负载四旋翼无人机系统已被广泛应用于各个领域。特别是在货物运送及人员救援应用中,此类系统能够高效地实现低成本物资运送,保证极端条件下物资运送的可达性。但由于其欠驱动、强耦合特性,且在飞行过程中易受未知因素的影响,四旋翼无人机吊挂飞行的可靠性和安全性仍是亟需解决的问题。四旋翼无人机吊挂系统的运动规划、抗扰及减摆控制等问题一直是目前研究的热点。本文研究四旋翼无人机吊挂系统在未知因素影响下的减摆控制和轨迹跟踪问题,主要内容如下:1.首先分别采用欧拉-拉格朗日方法和拉格朗日-达朗贝尔原理,建立四旋翼无人机吊挂系统动力学模型。此外,采用PX4开源飞控进行二次开发,搭建了四旋翼无人机吊挂系统室内飞行实验平台,用于开展控制算法的飞行验证实验。2.针对四旋翼无人机吊挂系统减摆控制问题,考虑系统建模存在模型不确定性部分,提出了一种基于能量整形的神经网络自适应控制策略。通过RBF神经网络对系统建模中模型不确定性部分进行逼近补偿,采用串级控制策略将系统分为位置环和姿态环,基于能量整形方法重构位置环的能量函数,设计了一种自适应减摆控制器。然后,基于Lyapunov稳定理论和La Salle不变集理论对系统稳定性和收敛性进行分析。最后,通过数值仿真和飞行实验验证了该控制方法的有效性。3.针对四旋翼无人机吊挂系统中吊挂负载的轨迹跟踪问题,考虑系统受外界未知干扰影响,设计了一种基于几何理论的神经网络自适应控制方法。在几何控制器的基础上采用RBF神经网络对外界未知干扰进行逼近补偿,设计神经网络参数自适应更新律,实现吊挂负载的跟踪控制。继而,基于Lyapunov理论对系统稳定性进行分析。最后,通过数值仿真验证了所提出控制方法的有效性。

关键词：四旋翼吊挂无人机减摆控制抗扰控制神经网络自适应控制

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涡轴发动机LQ/H_∞抗扰控制方法

航空动力学报 2012年第9期27卷 2140-2146页

作者：廖光煌李秋红卢辰昊黄金泉南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国航空工业集团公司航空动力控制系统研究所江苏无锡214063

提出了抑制涡轴发动机负载干扰的线性二次型(LQ)/H∞控制算法,以总距为干扰建模,利用线性矩阵不等式求得既满足LQ指标又对干扰具有H∞性能约束的状态反馈控制律.提出修正指令抑制干扰策略.采用比例微分控制将总距变化转换为动力涡轮转... 详细信息

提出了抑制涡轴发动机负载干扰的线性二次型(LQ)/H∞控制算法,以总距为干扰建模,利用线性矩阵不等式求得既满足LQ指标又对干扰具有H∞性能约束的状态反馈控制律.提出修正指令抑制干扰策略.采用比例微分控制将总距变化转换为动力涡轮转速指令的修正,实现增大或减小机动飞行中动力涡轮转速指令,抑制实际转速的下垂或超调.仿真结果表明:该控制方法能有效抑制干扰并具有良好的实时性.

关键词：涡轴发动机抗扰控制线性二次型 H_∞ 变指令