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基于路径和算法的飞行器集群分布式相对定位

航空学报 2024年第4期45卷 213-227页

作者：赖玮清万九卿北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

根据飞行器集群中各节点的惯性测量以及节点间数据链给出的相对距离测量,利用集中式卡尔曼滤波可以实现集群节点间的相对定位,包括相对位置和相对姿态的估计。集中式算法将集群内全部数据汇聚到中心节点集中处理,系统的可扩展性和可靠... 详细信息

根据飞行器集群中各节点的惯性测量以及节点间数据链给出的相对距离测量,利用集中式卡尔曼滤波可以实现集群节点间的相对定位,包括相对位置和相对姿态的估计。集中式算法将集群内全部数据汇聚到中心节点集中处理,系统的可扩展性和可靠性受到制约。以信念传播为代表的分布式相对定位算法,通过集群各节点对局部信息的处理以及相邻结点间的信息交互,可实现节点间相对位置和相对姿态的全局估计。然而,在集群相对定位问题中,数据链拓扑包含大量环状结构,此时信念传播算法存在收敛性问题。本文提出一种集群相对定位分布式精确推理方法,可适用于任意集群拓扑结构。分别在高斯标准型和规范型描述下,设计集群各节点误差状态的分布式时间更新和量测更新算法,基于路径和原理给出标准型和规范型参数的分布式转换算法。在线性高斯模型假设下,本文方法等价于集中式卡尔曼滤波,可实现相对定位的最优估计。设计基于集群分解的分布式近似推理算法,进一步提升算法运行速度。在六自由度长航时仿真数据上的计算结果表明,基于路径和的分布式近似推理的相对定位精度与集中式卡尔曼滤波接近,明显优于现有的分布式高斯信念传播算法。

关键词：分布式推理相对定位信念传播路径和导航系统

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振镜电机系统高性能数模混合驱动控制方法

北京航空航天大学学报 2024年第10期50卷 3208-3218页

作者：赵家康郭宏徐金全北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

为满足振镜电机系统高精度和高动态性能的控制需求,提出数模混合架构和扩张状态观测器(ESO)-滑模控制(SMC)复合的高性能驱动控制方法。采用基于数字式控制器和模拟式驱动器的数模混合架构设计,一方面便于实现高性能的非线性控制算法,另... 详细信息

为满足振镜电机系统高精度和高动态性能的控制需求,提出数模混合架构和扩张状态观测器(ESO)-滑模控制(SMC)复合的高性能驱动控制方法。采用基于数字式控制器和模拟式驱动器的数模混合架构设计,一方面便于实现高性能的非线性控制算法,另一方面能够消除数字式驱动器中脉冲宽度调制(PWM)技术导致的高频电流纹波。基于ESO和SMC复合的振镜电机位置环控制方法,通过ESO估计系统的各种扰动,利用SMC实时消除扰动影响,显著地提升了振镜电机系统的动态性能和鲁棒性。仿真和实验结果表明:相较于比例-积分-微分(PID)控制器,所提方法能够有效地提升系统的鲁棒性和动态响应性能,其中动态响应性能提升了29.4%。

关键词：振镜电机滑模控制扩张状态观测器高动态性能运算放大器跟踪微分器

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基于动态视觉传感器的无人机目标检测与避障

北京航空航天大学学报 2024年第1期50卷 144-153页

作者：蔡志浩陈文军赵江王英勋北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

针对无人机在动态环境中感知动态目标与躲避高速动态障碍物,提出了基于动态视觉传感器的目标检测与避障算法。设计了滤波方法和运动补偿算法,滤除事件流中背景噪声、热点噪声及由相机自身运动产生的冗余事件;设计了一种融合事件图像和RG... 详细信息

针对无人机在动态环境中感知动态目标与躲避高速动态障碍物,提出了基于动态视觉传感器的目标检测与避障算法。设计了滤波方法和运动补偿算法,滤除事件流中背景噪声、热点噪声及由相机自身运动产生的冗余事件;设计了一种融合事件图像和RGB图像的动态目标融合检测算法,保证检测的可靠性。根据检测结果对目标运动轨迹进行估计,结合障碍物运动特点和无人机动力学约束改进速度障碍法躲避动态障碍物。大量仿真试验、手持试验及飞行试验验证了所提算法的可行性。

关键词：事件相机事件滤波运动补偿融合检测速度障碍法

多约束条件下四旋翼机动轨迹跟踪一体化控制方法

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北京航空航天大学学报 2024年第1期50卷 48-60页

作者：王英勋李欣蔡志浩赵江北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

四旋翼无人机高动态飞行需求的增加使其成为一个越来越热门的研究主题。针对四旋翼执行废墟裂缝和树林缝隙穿越任务时的大机动轨迹状态跟踪控制问题,提出基于模型预测控制的一体化控制方法,包含多约束条件下的高机动轨迹规划和多参考状... 详细信息

四旋翼无人机高动态飞行需求的增加使其成为一个越来越热门的研究主题。针对四旋翼执行废墟裂缝和树林缝隙穿越任务时的大机动轨迹状态跟踪控制问题,提出基于模型预测控制的一体化控制方法,包含多约束条件下的高机动轨迹规划和多参考状态量的一体化跟踪控制,并通过飞行试验验证了所提方法相比前馈PID控制方法在跟踪规划的高机动轨迹时的优越性能。在飞行试验中,四旋翼成功穿越了60°滚转角的窄框,其实际滚转角达到60°大角度的同时,z轴误差仅为0.065 m。

关键词：多约束一体化控制模型预测控制轨迹跟踪轨迹规划

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面向空地中继网络优化的无人机运动控制方法

系统工程与电子技术 2024年第5期46卷 1712-1723页

作者：陶灿灿周锐北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

本文提出一种基于模型的通信中继无人机运动控制方法,旨在提高地面车辆编队的网络连通性和通信性能。通过联合考虑未知多用户移动性、环境对信道特性的影响以及接收信号的不可用到达角信息来解决中继无人机运动控制问题。该方法主要由... 详细信息

本文提出一种基于模型的通信中继无人机运动控制方法,旨在提高地面车辆编队的网络连通性和通信性能。通过联合考虑未知多用户移动性、环境对信道特性的影响以及接收信号的不可用到达角信息来解决中继无人机运动控制问题。该方法主要由两部分构成:①利用图论中的最小生成树构建网络连接性并定义通信性能指标,该网络连接性同时考虑了地面节点与无人机的通信链路及地面节点与地面节点的通信链路;②针对移动节点的通信中继,提出一种改进粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)和非线性模型预测控制(nonlinear model predictive control,NMPC)相结合的中继无人机运动控制策略,其中移动节点的未来位置由卡尔曼滤波器进行预测。在单一环境和复杂环境下的仿真结果表明,所提出的运动控制方法可以驱使无人机到达或跟踪最优中继位置的运动并提高网络性能,同时论证了考虑环境对信道的影响是有益的。

关键词：无人机中继通信运动控制最小生成树非线性模型预测控制改进粒子群优化

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矿用正铲液压挖掘机人机协同控制

北京航空航天大学学报 2024年第6期50卷 1952-1959页

作者：董宝祥秦涛杨旭李运华北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

针对矿用正铲液压挖掘机操纵复杂度高的问题,提出了一种通用型人机协同控制方法。对比分析了3种能够降低正铲液压挖掘机操纵复杂度的新型工作装置在动臂提升和水平推压作业模式下的作业性能,结果表明,工作装置创新设计存在机构复杂和作... 详细信息

针对矿用正铲液压挖掘机操纵复杂度高的问题,提出了一种通用型人机协同控制方法。对比分析了3种能够降低正铲液压挖掘机操纵复杂度的新型工作装置在动臂提升和水平推压作业模式下的作业性能,结果表明,工作装置创新设计存在机构复杂和作业精度低的问题。基于运动学逆解和切换控制思想,所提方法采用驾驶员手动操纵主要执行机构,其他辅助执行机构根据作业要求约束进行自主协同的策略,在保证作业精度的同时,减小了驾驶员操纵难度。结果表明,所提方法能够降低正铲液压挖掘机在动臂提升和水平推压作业模式下的操纵复杂度,提高作业精度和效率,具有模式切换灵活、通用性强等优点。

关键词：液压挖掘机运动学辅助操纵人机协同作业性能

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时间约束三维超螺旋滑模制导控制一体化方法

宇航学报 2024年第2期45卷 283-294页

作者：李雪王青北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学国际创新学院杭州311115

针对飞行器时间约束制导问题,提出了一种新型三维制导控制一体化方法。为满足大前置角及大期望到达时间下时间约束制导的需要,提出了一种新型滑模面,并证明了滑模运动时前置角的渐近收敛特性。在该滑模面的基础上,基于超螺旋算法和反步... 详细信息

针对飞行器时间约束制导问题,提出了一种新型三维制导控制一体化方法。为满足大前置角及大期望到达时间下时间约束制导的需要,提出了一种新型滑模面,并证明了滑模运动时前置角的渐近收敛特性。在该滑模面的基础上,基于超螺旋算法和反步法,提出了有限时间稳定的制导控制一体化控制律,保证李普希茨有界扰动下的鲁棒,且控制量连续,其有限时间收敛特性通过李雅普诺夫稳定性理论得到证明,其有效性通过数值仿真得到了验证。

关键词：飞行器攻击时间控制制导制导控制一体化超螺旋算法反步法

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大型民机操纵系统容错控制技术综述

机械工程学报 2024年第4期60卷 50-65页

作者：王兴坚杨新宇王少萍北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

大型民机操纵系统是飞机姿态调整与保持的关键系统,在飞行过程中,操纵系统故障会使飞机控制性能下降,严重时甚至导致飞机响应发散,造成严重后果。深入研究飞行过程中操纵系统的容错控制技术对于提升飞行控制性能、保障系统稳定运行具有... 详细信息

大型民机操纵系统是飞机姿态调整与保持的关键系统,在飞行过程中,操纵系统故障会使飞机控制性能下降,严重时甚至导致飞机响应发散,造成严重后果。深入研究飞行过程中操纵系统的容错控制技术对于提升飞行控制性能、保障系统稳定运行具有重要意义。从控制的角度出发,对目前大型民机操纵系统的容错控制方法进行归纳和总结。首先,介绍飞机操纵系统组成并分析系统的主要故障类型,包括舵面故障、作动器故障、传感器故障及过程故障等;其次,深入讨论飞机操纵系统的容错控制技术进展,比较并归纳各种容错控制方法的优缺点;再次,阐述飞机操纵系统的冗余资源配置及其在容错控制中的作用;最后,总结操纵系统容错控制技术在实际工程中的应用,并对飞机操纵系统容错控制领域目前面临的主要技术挑战和机遇进行展望。

关键词：飞行操纵系统容错控制作动器故障余度资源

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基于感兴趣区域的物体抓取位姿检测

系统工程与电子技术 2024年第6期46卷 1867-1877页

作者：孙先涛江汪洋陈文杰陈伟海智亚丽安徽大学电气工程与自动化学院安徽合肥230601 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

在工业生产中,待抓取物体往往具有种类众多、摆放位置杂乱、形状不规则等特点,使得难以准确获取物体抓取位姿。针对以上问题,提出一种基于深度学习的两阶段抓取位姿估计方法。第1阶段,提出一种基于YOLOv4(you only look once version4)... 详细信息

在工业生产中,待抓取物体往往具有种类众多、摆放位置杂乱、形状不规则等特点,使得难以准确获取物体抓取位姿。针对以上问题,提出一种基于深度学习的两阶段抓取位姿估计方法。第1阶段,提出一种基于YOLOv4(you only look once version4)改进的轻量级旋转目标检测算法,提高目标的检测速度和检测精度。首先,使用轻量化网络GhostNet和深度可分离卷积对原始网络进行重构,降低整个模型参数。然后,在颈部网络中增加自适应空间特征融合结构和无参注意力模块,提高对感兴趣区域的定位精度;最后,使用近似倾斜交并比(skew intersection over union,SkewIoU)损失解决角度的周期性问题。第2阶段,制作与原始图片尺寸一样的掩膜提取感兴趣区域;同时,提出一种改进的DeepLabV3+算法,用以检测感兴趣区域中物体的抓取位姿。实验结果表明,改进后的YOLOv4网络检测精度达到92.5%,改进的DeepLabV3+算法在Cornell抓取数据集上的图像拆分和对象拆分精度分别达到94.6%,92.4%,且能准确检测出物体的抓取位姿。

关键词：深度学习掩膜感兴趣区域轻量化网络位姿检测

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