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基于深度强化学习的无人机集群数字孪生编队避障

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工程科学学报 2024年第7期46卷 1187-1196页

作者：张宇宸段海滨魏晨北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100083

无人机集群在各个领域中扮演着重要角色,具有丰富的应用场景.然而,将深度强化学习方法应用于自主无人机面临着诸多严峻挑战.本文基于多智能体深度强化学习,通过使用局部信息建立单个无人机的状态空间,并使用多智能体近端策略优化(Multi-... 详细信息

无人机集群在各个领域中扮演着重要角色,具有丰富的应用场景.然而,将深度强化学习方法应用于自主无人机面临着诸多严峻挑战.本文基于多智能体深度强化学习,通过使用局部信息建立单个无人机的状态空间,并使用多智能体近端策略优化(Multi-agent proximal policy optimization,MAPPO)的在线策略算法来训练策略网络,从而克服了环境的不确定性和对全局信息的依赖.同时,引入了数字孪生的概念,为资源紧张型算法提供了新思路.为了解决采样困难和资源紧张的问题,基于数字孪生技术,构建了一个用于无人机编队避障策略模型训练的架构.首先,构建了多个数字孪生环境,用于强化学习算法在任务开始之前进行交互采样的预训练,以使集群具备基本的任务能力.然后,使用在真实环境中采集的数据进行补充训练,使得集群能够更好地完成任务.对采用这种两阶段训练架构的效果进行了对比,同时与其他策略算法进行比较,验证了MAPPO的样本效率性能.最后,设计了实际飞行验证测试,验证了从孪生环境中获得的策略模型的实用性和可靠性.

关键词：数字孪生深度强化学习无人机编队控制避障

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一种基于梯度方向一致性的边缘检测新算法

电子与信息学报 2016年第7期38卷 1674-1681页

作者：李正张海北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

为达到同时提取图像的主要边缘和微弱边缘并有效抑制噪声的目的,该文利用真实图像边缘两侧的灰度渐变性,以及边缘点周围灰度梯度的方向一致性好而非边缘点周围灰度梯度的方向一致性差的特点构造了梯度方向和(SGD)指标;并根据该指标提出... 详细信息

为达到同时提取图像的主要边缘和微弱边缘并有效抑制噪声的目的,该文利用真实图像边缘两侧的灰度渐变性,以及边缘点周围灰度梯度的方向一致性好而非边缘点周围灰度梯度的方向一致性差的特点构造了梯度方向和(SGD)指标;并根据该指标提出一种阈值自适应的边缘检测算法。实验表明:梯度方向和在有效提取边缘点的同时能较好地抑制高强噪声;该指标对光照和对比度变化有较强的鲁棒性;将其用于阈值的自适应调节,得到的基于梯度方向一致性的边缘检测方法能较好地解决兼顾弱边缘检测的同时而不引入噪声干扰的问题。

关键词：边缘检测梯度方向一致性抗噪自适应阈值

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保证误差收敛速率机动滑翔飞行器抗饱和控制

北京航空航天大学学报 2013年第11期39卷 1542-1547页

作者：戴世聪任章李菁菁曲鑫北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

在执行机构饱和约束下,针对机动滑翔飞行器高空横侧向大机动姿态控制问题,研究了在保证系统稳定的同时提高响应快速性方法.在标准Antiwindup方法中,误差收敛速率往往被忽略,系统快速性常常达不到设计要求.为了提高加入补偿后系统的误差... 详细信息

在执行机构饱和约束下,针对机动滑翔飞行器高空横侧向大机动姿态控制问题,研究了在保证系统稳定的同时提高响应快速性方法.在标准Antiwindup方法中,误差收敛速率往往被忽略,系统快速性常常达不到设计要求.为了提高加入补偿后系统的误差收敛速率,对现存的一种基于线性矩阵不等式的Antiwindup设计方法进行改进,并运用比较原理证明了改进后受控闭环系统稳定且李雅普诺夫函数收敛速率有确定的下界,从而保证了误差收敛速率下界.与以往方法相比,该方法保证了对系统快速性的最低要求,为解决饱和系统稳定性与快速性的矛盾提供了一条有效途径.较大侧滑角下的倾侧角机动仿真结果表明,所设计的抗饱和控制器可以在恶劣的飞行环境下稳定完成倾侧角大机动的任务,相比于标准Antiwindup设计方法,该方法快速性有所提高.

关键词：飞行控制抗饱和控制收敛率线性矩阵不等式

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基于系统分类和安全评估的无人机空域集成

北京航空航天大学学报 2013年第11期39卷 1497-1502页

作者：蔡志浩吴慧垚王英勋北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

无人机的空域集成,即无人机进入非隔离空域飞行与有人机共享空域,是未来发展的必然趋势,这也给空中交通管理带来了新的挑战.参照美国的空域集成计划,需要建立在空域详细分类的基础上,根据无人机的综合能力逐步实现无人机从单一空域到多... 详细信息

无人机的空域集成,即无人机进入非隔离空域飞行与有人机共享空域,是未来发展的必然趋势,这也给空中交通管理带来了新的挑战.参照美国的空域集成计划,需要建立在空域详细分类的基础上,根据无人机的综合能力逐步实现无人机从单一空域到多空域,从隔离空域到非隔离空域的动态运行.而无人机的综合能力分类可以从体系划分和安全能力两个角度出发,综合衡量;其中,无人机体系基于自主能力和监管方式两个关键因素来划分.基于这种方法,分析可以初步确定一类无人机可以飞行的空域类型,以及跨越不同空域的方式,从而实现无人机空域集成.

关键词：无人机空域集成空中交通管理自主能力安全水平

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双机协同无源目标跟踪轨迹优化

北京航空航天大学学报 2015年第1期41卷 160-166页

作者：冉华明周锐吴江董卓宁北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

针对双机协同无源跟踪精度要求较高的问题,根据双机与目标的几何态势,分析了双机几何态势对双机无源探测精度的影响,给出了位置精度因子(PDOP)的公式,得出了双机的最优几何配置.提出了双机协同无源目标跟踪系统的控制结构,采用扩展信息... 详细信息

针对双机协同无源跟踪精度要求较高的问题,根据双机与目标的几何态势,分析了双机几何态势对双机无源探测精度的影响,给出了位置精度因子(PDOP)的公式,得出了双机的最优几何配置.提出了双机协同无源目标跟踪系统的控制结构,采用扩展信息滤波(EIF)对目标状态进行估计,以信息熵最大为轨迹优化的最优性能指标,采用了滚动时域优化(RHO)来实时地控制飞机的运动.仿真结果表明,该轨迹优化算法能够使飞机按满足最优几何配置的轨迹飞行,说明基于PDOP的最优几何配置的正确性,降低目标位置的估计误差,提高双机协同无源跟踪的精度.

关键词：协同无源跟踪位置精度因子扩展信息滤波滚动时域优化轨迹优化

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电液飞行转台的分数阶积分滑模非线性控制

北京航空航天大学学报 2014年第10期40卷 1411-1416页

作者：韩松杉焦宗夏汪成文尚耀星石岩北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

电液飞行转台是飞控系统半实物仿真测试的关键设备,它是在实验室条件下复现飞行器运动姿态的高精尖试验设备,具有重大经济价值和国防战略意义.为提高该设备的动态跟踪精度,提出一种基于分数阶积分滑模的非线性鲁棒控制策略.在积分滑模... 详细信息

电液飞行转台是飞控系统半实物仿真测试的关键设备,它是在实验室条件下复现飞行器运动姿态的高精尖试验设备,具有重大经济价值和国防战略意义.为提高该设备的动态跟踪精度,提出一种基于分数阶积分滑模的非线性鲁棒控制策略.在积分滑模控制器中引入分数阶算子,能更有效地提升系统瞬态响应,并能提供更多的控制自由度.同时基于Lyapunov分析方法证明了该控制器在存在参数不确定、强外干扰力矩和未知非线性摩擦特性等情况下仍能保证系统的全局渐近稳定性.以某型电液飞行转台外框阀控马达为例,针对多种运动工况进行仿真分析,结果表明该方法能有效提高系统的瞬态性能和鲁棒能力.

关键词：液压伺服机构飞行转台分数阶滑模控制非线性控制系统

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非对称受损飞机多变量模型参考自适应控制

北京航空航天大学学报 2013年第11期39卷 1509-1514页

作者：杨凌宇冷宁张晶申功璋北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

针对非对称受损的常规布局飞机,对其自适应控制设计方法与适用条件进行了研究.建立了非对称结构受损飞机的非线性模型,详细讨论了模型的线性化过程以及受损造成的纵、横向间动态耦合项;结合常规布局非对称结构受损飞机的物理特性,对多... 详细信息

针对非对称受损的常规布局飞机,对其自适应控制设计方法与适用条件进行了研究.建立了非对称结构受损飞机的非线性模型,详细讨论了模型的线性化过程以及受损造成的纵、横向间动态耦合项;结合常规布局非对称结构受损飞机的物理特性,对多变量模型参考自适应控制器设计的关键条件:关联矩阵和高频增益矩阵顺序主子式符号的不变性做出了证明,确立了该方法在非对称结构受损飞机上应用的理论可行性;通过仿真验证了MRAC(Model Reference Adaptive Control)方法对非对称结构受损飞机控制的有效性.

关键词：非对称受损飞机多变量模型参考自适应控制高频增益矩阵关联矩阵

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超视距空战中多机协同制导方法

北京航空航天大学学报 2014年第10期40卷 1457-1462页

作者：冉华明周锐吴江董卓宁北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

对空空导弹制导权交接的任务分配问题,根据己方飞机与制导权需交接的导弹的态势建立了对导弹的态势优势模型;根据己方飞机对该导弹攻击目标的态势建立了对目标的探测能力模型;根据敌方飞机对己方飞机的态势建立了己方飞机受到的威胁度模... 详细信息

对空空导弹制导权交接的任务分配问题,根据己方飞机与制导权需交接的导弹的态势建立了对导弹的态势优势模型;根据己方飞机对该导弹攻击目标的态势建立了对目标的探测能力模型;根据敌方飞机对己方飞机的态势建立了己方飞机受到的威胁度模型;根据敌我双方飞机的空战能力建立了空战效能优势模型.在这4种模型的基础上建立了己方飞机对导弹的总的制导优势模型.在总的制导优势的基础上建立了协同制导任务分配模型,并采用遗传算法对协同制导任务分配问题进行优化求解.仿真结果表明,该方法能够实时地计算制导优势和进行任务分配,有效地完成多机协同制导.

关键词：超视距空战协同制导制导权交接任务分配制导优势

基于SMO-SVR的飞机舵面损伤故障趋势预测

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北京航空航天大学学报 2012年第10期38卷 1300-1305页

作者：董磊任章李清东北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

飞机舵面出现损伤时,为了更准确的预测状态参量变化情况,提出了一种改进的序贯最小优化支持向量回归(SMO-SVR,Sequential Minimal Optimization Support VectorRegression)预测方法.采用改进C-C平均方法对多元时间序列进行相空间重构,... 详细信息

飞机舵面出现损伤时,为了更准确的预测状态参量变化情况,提出了一种改进的序贯最小优化支持向量回归(SMO-SVR,Sequential Minimal Optimization Support VectorRegression)预测方法.采用改进C-C平均方法对多元时间序列进行相空间重构,以确定最优嵌入维数m和延迟时间τd.根据所求m和τd建立加权SVR预测模型,并调整了SMO算法的停机准则.利用区间自适应粒子群算法(IAPSO,Interval Adaptive Particle Swarm Optimization)优化SVR参数,以提高参数优化速度.为了验证改进算法的有效性,针对飞机方向舵损伤故障趋势进行了预测和分析,并与径向基函数神经网络(RBFNN,Radial Basis Function Neural Net-work)方法进行了对比,仿真结果表明SMO-SVR预测模型具有很好的预测能力.

关键词：故障趋势预测支持向量回归序贯最小优化舵面损伤相空间重构