针对无人直升机的位置和姿态控制中存在不确定和外部干扰的悬停问题, 提出一种基于滑模方法的有限时间飞行控制策略。首先, 对无人直升机的六自由度模型进行分析, 将模型分为位置模型和姿态模型两个部分; 其次, 在悬停状态下对模型做简化处理, 根据位置和姿态之间的特点以及控制要求, 分别采用非奇异终端滑模和积分滑模设计位置控制器和姿态控制器, 并在Lyapunov理论框架下证明系统误差能在有限时间内收敛至平衡点; 最后, 通过仿真分析表明该控制策略具有良好的控制性能。
无人直升机 非奇异终端滑模 积分滑模 位置控制 姿态控制 有限时间收敛 unmanned helicopter non-singular terminal sliding mode integral sliding mode position control attitude control finite-time convergence
1 天津工业大学 机械工程学院，天津300387
2 北京清航紫荆装备科技有限公司，北京10101
3 清华大学 航天航空学院，北京100084
4 内蒙古工业大学 航空学院，呼和浩特010051
为了使交叉双旋翼无人直升机在全球定位系统（Global Positioning System，GPS）信号干扰的情况下实现平稳的自主降落，采用AprilTags视觉基准系统中的TAG36H11图像作为降落地标，并基于该降落地标设计了一种视觉辅助的交叉双旋翼无人直升机自主降落控制系统。对降落地标进行图像预处理，基于Canny边缘检测、Hough变换直线检测和矩形检测，提取降落地标的特征信息，然后通过相机成像原理和坐标系转换解算出无人直升机的相对位姿信息，针对GPS信号干扰的情况下提出了一种利用Hough变换直线检测解算偏航角的算法，最后设计了一种串级PID控制结构的位姿控制算法，位置控制中设计了一种开方控制器，用于限制无人直升机的极限期望位置和最大加速度。同时，在姿态控制中设计了一种交叉双旋翼无人直升机姿态控制机构，通过6个数字舵机控制倾斜盘的倾角实现交叉双旋翼的周期变距，改变无人直升机的飞行姿态。通过Mission Planner飞控地面站进行仿真验证，将视觉处理系统与飞行控制系统组合，仿真结果表明，视觉辅助的飞行控制系统可以很好地跟踪无人直升机的期望位置。经过实验验证，姿态角度偏移量控制在4°以内，位置偏移量控制在0.05 m以内，可以实现交叉双旋翼无人直升机视觉辅助的自主降落。
视觉辅助 无人直升机 交叉双旋翼 自主降落 位置控制 姿态控制 visual aid intermeshing-rotor unmanned helicopter autonomous landing position control attitude control 光学 精密工程
2023, 31(23): 3517
江西理工大学电气工程与自动化学院, 江西赣州 341000
为了解决 STM(stepper motor)镜头中步进电机低频对焦慢、高频失步跑焦的问题, 通过分析对焦过程中电机的加减速动作, 结合步进电机加减速曲线, 设计了一种适用于 STM镜头驱动的步进电机开环控制算法。算法根据步进电机速度在单位控制周期内不变, 把步进电机位置控制问题转换为单位控制周期内脉冲输出问题, 实现了速度控制与位置控制的巧妙结合。设计并搭建了 STM镜头对焦电机控制电路, 工程实验结果表明：该算法提高了步进电机开环控制的精度, 有效地减小了由于步进电机过冲和失步带来的跑焦问题。
STM镜头 步进电机 动态规划算法 加减速曲线 位置控制 STM lens, stepper motor, dynamic programming, acce
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 中国科学院光束控制重点实验室，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
在基于图像传感器的倾斜镜控制系统中，由于传感器采样频率和系统延时的影响，限制了系统的闭环性能和控制带宽。在有限带宽的条件下，本文提出利用光栅尺测量位置，差分得到速度，实现基于图像传感器系统的速度-位置反馈控制，从而提升倾斜镜控制系统的误差抑制能力。速度反馈环节的引入，使控制系统呈微分特性，当速度反馈闭环完成后，图像位置回路具有积分特性，此时使用PI控制器稳定系统，从而使得系统从零型上升为二型系统，提升系统的误差抑制能力。仿真和实验都证明这种方法可以有效地提高跟踪控制系统的闭环性能。
倾斜镜 光栅尺 图像传感器 时延 速度-位置控制 误差抑制 tip-tilt mirror linear encoder image sensor time delay position-rate control error attenuation
郑州轻工业大学河南省机械装备智能制造重点实验室, 郑州 450002
针对四旋翼飞行器传统PID控制系统存在的响应慢、抗干扰能力差、超调较大等问题, 将模型算法控制（MAC）引入传统PID控制系统, 以改善控制系统的动静态性能。将不完全微分PID控制器与MAC控制器相结合, 构成串级闭环控制系统:将不完全微分PID控制器作为内环控制, 实现对横滚角和俯仰角的姿态控制;将MAC作为外环控制, 实现对位置以及偏航角的控制。仿真结果表明该方法与传统PID控制相比, 其超调量小、响应速度快、响应曲线平滑。
四旋翼飞行器 位置控制 quadrotor aircraft MAC-PID MAC-PID position control
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了满足4 m大口径望远镜镜面成像对主镜位置的高精度需求,介绍了采用电机驱动浮动液压支撑方式的主镜位置控制系统设计方法。介绍了主镜位置控制系统的构成并建立了各结构的数学模型;基于线性扩张观测器和一阶动态滑模控制方法,设计了主镜位置控制器;对该控制系统进行了仿真验证。结果显示:在俯仰轴以1 (°)·s -1的速度匀速运动的情况下,每个支撑区域的跟踪误差最大值小于0.5 μm;在俯仰轴正弦引导情况下,跟踪误差最大值为1 μm,明显优于传统的比例积分控制的13 μm跟踪误差,满足4 m望远镜主镜位置控制系统的设计要求。该研究为大口径望远镜主镜位置控制系统设计提供了一定的参考。
测量 大口径望远镜 主镜 位置控制 动态滑模控制 自抗扰控制 光学学报
2020, 40(22): 2212002
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 北京航空航天大学 新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室, 北京 100191
在受到陀螺效应、动框架效应等影响后产生的磁力非线性问题是磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)高速转子位置精度下降的主要因素。为解决以上问题, 提高转子位置精度, 本文分析了转子所受磁力的特性, 建立了转子系统非线性动力学模型, 提出了神经网络滑模控制方法。设计滑模控制律, 采用径向基函数神经网络逼近控制律中的非线性模型, 自适应算法根据误差在线调整神经网络的权值, 同时可以保证整个系统的稳定性。仿真和实验结果表明, 所提出方法的转子位置精度达到99%, 稳态误差为0.000 2 mm。神经网络滑模控制可以实现MSCMG转子系统的高精度位置控制。
磁悬浮控制力矩陀螺 磁悬浮转子 高精度位置控制 滑模控制 神经网络 Magnetically Suspended Control Moment Gyroscope (M magnetically suspended rotor high-precision position control sliding mode control neural network
1 苏州工业职业技术学院，江苏苏州215104
2 南京邮电大学，南京210003
针对四旋翼飞行器姿态与位置的解耦控制, 提出了一种动态逆控制与PID结合的混合控制策略。首先, 将四旋翼当作单刚体, 通过牛顿-欧拉方程获得其非线性动力学模型。其次, 用动态逆控制设计内回路控制器, 用PID控制设计外回路控制器, 实现姿态与位置通道的解耦控制。最后, 在仿真环境下, 通过阶跃响应和跟踪上升螺旋线检验了所提控制算法的稳定性与有效性。同时, 将控制算法写入飞行控制器, 通过飞行实验验证了所提控制算法的实用性。结果表明, 所提控制算法对外界扰动与未建模动态有较好的抑制能力, 能够满足四旋翼飞行器姿态控制与位置控制的需求。
四旋翼飞行器 动态逆控制 PID控制 姿态控制 位置控制 quad-rotor aircraft dynamic inversion control PID control attitude control position control
1 海军航空工程学院青岛校区, 山东 青岛 266041
2 伊犁师范学院数学与统计学院, 新疆 伊宁 835000
针对地面目标机动不确定和风扰动条件下的四旋翼无人机目标跟踪问题, 提出了一种全局稳定的控制策略。控制系统分为位置和姿态两个子系统。位置控制部分针对缺少目标与载机的相对速度问题, 设计了输出有界的基于观测器的滑模控制器, 且其输出能够保证所生成的期望姿态指令有界;设计了基于四元数的姿态控制器, 通过增加非线性切换项, 加快了动态跟踪速度, 并得到了整个位置-姿态系统的稳定性证明。建立了风扰动模型, 进行了目标机动情况下的跟踪飞行仿真, 得到了满意的跟踪效果。
四旋翼无人机 位置控制 姿态控制 目标跟踪 quad-rotor UAV position control attitude control target tracking
华中光电技术研究所—武汉光电国家实验室, 湖北 武汉 430223
“小误差放大,大误差饱和”函数能够提高柔性关节机器人位置的控制品质。利用这一函数,提出了比例-非线性微分加实时重力补偿(P-ND+)位置控制算法。应用Lyapunov稳定性理论和La Salle's不变性原理证明了闭环系统的全局渐近稳定性。通过仿真,采用P-ND+算法能使机械臂和关节的稳定时间从1 s减小到0.2 s左右,结果表明该算法比传统算法响应速度更快,验证了提出的非线性控制(P-ND+)相对于传统的线性(PD+)控制具有更好的控制品质。
柔性关节控制 位置控制 非线性控制 全局渐近稳定性 flexible joint control position control nonlinear control globally asymptotic stability
