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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

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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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

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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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基于深度强化学习的办公流程任务分配优化

北京航空航天大学学报 2024年第2期50卷 487-498页

作者：廖晨阳于劲松乐祥立北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学高等理工学院北京100191

在办公平台中存在异构流程任务大量并行的情况,不仅需要任务执行者具有较强的能力,也对协同调度系统的性能提出了要求。采用强化学习(RL)算法,结合协作配合度、松弛度等定量分析,并基于马尔可夫博弈理论提出多智能体博弈模型,实现以总... 详细信息

在办公平台中存在异构流程任务大量并行的情况,不仅需要任务执行者具有较强的能力,也对协同调度系统的性能提出了要求。采用强化学习(RL)算法,结合协作配合度、松弛度等定量分析,并基于马尔可夫博弈理论提出多智能体博弈模型,实现以总体流程配合度和最大完工时间为优化目标的优化调度系统,提高了总体执行效率。以真实的业务系统流程作为实验场景,在相同的优化目标下,对比D3QN等3种深度强化学习(DRL)算法和基于蚁群的元启发式算法,验证了所提方法的有效性。

关键词：工作流任务调度马尔可夫博弈深度强化学习协作度

车载GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合导航方法

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测绘学报 2024年第3期53卷 425-434页

作者：穆梦雪赵龙北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学数字导航中心北京100191 北京航空航天大学飞行器控制科学与技术实验室北京100191

为提升复杂环境下低成本车载导航系统的容错性能,本文研究了基于次优增益融合(SGF)算法的GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法。该方法首先根据阿克曼转向几何建立了四轮里程计测速补偿模型,提升了惯性测量单元(IMU)安装中心处的前向和... 详细信息

为提升复杂环境下低成本车载导航系统的容错性能,本文研究了基于次优增益融合(SGF)算法的GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法。该方法首先根据阿克曼转向几何建立了四轮里程计测速补偿模型,提升了惯性测量单元(IMU)安装中心处的前向和侧向测速精度;然后设计了基于卡方检验统计量的故障检测与分类准则,充分利用了可获取的观测信息;最后构建了随机模型和信息分配因子(ISF)弹性优化模型,分别从传感器层和决策层减少了异常观测的影响,实现了车载多源信息的弹性融合。通过实际跑车数据对GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法进行测试验证。试验结果表明,本文方法能有效减少子系统故障对全局状态估计的影响,提升复杂环境下系统的容错性能。此外,与经典的联邦卡尔曼滤波(FKF)算法相比,SGF算法全局融合精度损失有限,计算效率却显著提升,有利于多源信息弹性融合的实际工程应用。

关键词：多源信息弹性融合 GNSS/SINS/里程计融合里程计测速补偿模型次优增益融合分布式滤波

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空地无人集群自调节控制与动态路径规划方法

航空学报 2024年第16期45卷 207-226页

作者：赵江张璇池沛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 北京航空航天大学无人系统研究院北京100191

针对异构感知条件下空地无人集群协同避障与导航问题,提出了集群队形自调节控制与动态路径规划方法。首先,建立了无人机(UAV)与地面机器人的运动、感知与通信模型,设计了空地无人集群协调运动控制架构,满足异构集群协同避障与导航的控... 详细信息

针对异构感知条件下空地无人集群协同避障与导航问题,提出了集群队形自调节控制与动态路径规划方法。首先,建立了无人机(UAV)与地面机器人的运动、感知与通信模型,设计了空地无人集群协调运动控制架构,满足异构集群协同避障与导航的控制目标。其次,提出了机器人集群队形边界动态生成方法,分别设计了形状控制、个体避碰、编队控制与导航控制分量,实现了基于动态边界的集群队形自调节控制。结合机器人动态队形边界特性,提出了基于动态窗口优化的无人机路径规划方法,通过设计优化目标函数在集群协同运动的基础上实现了安全导航避撞。最后,设计了队形边界缩放、变形和旋转下的队形调节场景与狭窄廊道协同避障与导航任务想定,通过仿真算例验证了空地无人集群队形自调节控制与动态路径规划方法的有效性,并给出了所述方法能力边界的分析。

关键词：空地无人集群无人机地面机器人协同避障与导航队形自调节控制动态路径规划