1 之江实验室光纤传感研究中心，浙江 杭州 310027
2 浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021
3 电子科技大学信息与通信工程学院，四川 成都 611731
报道了一种高性能大孔径分布式光纤水听拖曳阵列，其总长度为150 m，声学传感段长度为100 m，具有192个传感单元，采用单根光纤离散增敏制备而成，无需其他分离器件。传感基元通过驻波桶标定，在20~1000 Hz，平均声压灵敏度达到-127.44 dB（re rad/μPa）。阵列同时装配了自研的姿态感知模块，可实现拖曳过程的实时姿态获取。针对所研制的大规模分布式光纤水听拖曳阵列，开展了湖试综合测试，6 kn拖速下阵列声学段的倾角仅为7.8°，将192个传感单元数据波束合成后得到了16.87 dB的空间增益，传感器表现出了优异的综合性能。该高性能大规模分布式光纤水听拖曳阵列为光纤水听器发展提供了一条全新的技术路线，有力推动了基于DAS的“第三代声呐技术”的发展。
光纤光学 光纤水听器 光纤水听拖曳阵列 分布式光纤声波传感 声压灵敏度 姿态感知 目标轨迹跟踪
1 南京信息工程大学自动化学院, 南京 210000
2 南京信息工程大学自动化学院, 南京 210000 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210000
针对存在外界干扰的四旋翼无人机轨迹跟踪问题, 提出了一种分数阶Super-Twisting滑模控制器。基于双闭环控制策略, 将四旋翼无人机系统解耦为位置子系统和姿态子系统; 利用Super-Twisting算法设计出滑模控制器, 可在消除系统抖振的同时实现全局有限时间收敛; 为了进一步提高系统的控制精度和抗干扰性, 引入了分数阶微分积分算子; 最后, 与传统Super-Twisting滑模和积分终端滑模进行的仿真对比,验证了所提算法的优越性。
四旋翼无人机 分数阶滑模 轨迹跟踪 quadrotor UAV fractional-order sliding mode Super-Twisting Super-Twisting trajectory tracking
针对全驱动无人船(USV)的轨迹跟踪问题, 提出了一种模型预测控制和积分滑模控制相结合的双层控制方法。首先, 针对无人船系统的运动学模型, 设计模型预测控制器(MPC)根据期望轨迹得到满足约束条件的期望速度信号; 针对动力学模型, 设计积分滑模控制器(ISMC)使得系统在外界干扰存在的情况下, 实现对期望信号的跟踪, 提高了系统的鲁棒性; 设计非线性干扰观测器对外界干扰进行估计, 并在控制律的设计过程中进行补偿; 最后, 采用李雅普诺夫方法证明了系统的稳定性。数值仿真证明了两者的结合可以有效地实现全驱动无人船的轨迹跟踪。
全驱动无人船 轨迹跟踪 模型预测控制(MPC) 积分滑模控制(ISMC) 非线性干扰观测器 fully-actuated unmanned surface vessel trajectory tracking Model Predictive Control(MPC) Integral Sliding Mode Control (ISMC) nonlinear disturbance observer
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
本文将冗余机械臂的轨迹跟踪和避障规划统一为优化问题，提出了一种基于改进灰狼算法的避障跟踪优化器。首先，基于包围盒法对避障空间进行了建模，使用GJK算法计算机械臂与障碍物之间的最小距离。其次，设计了适应度函数，引入避障奖励项对优化器进行主动奖励，使机械臂在跟踪目标轨迹的同时避开障碍物。然后，使用随机分散策略对灰狼算法进行了改进，以增强算法的全局搜索能力，从而更好地求解优化问题。最后，使用九自由度冗余机械臂验证了所提出方法的有效性和优越性。实验结果表明：对于圆形目标轨迹，机械臂的末端跟踪误差为0.21 mm；跟踪过程中，机械臂与障碍物的距离不小于70 mm；相比于经典灰狼算法，改进灰狼算法使跟踪精度提高了13%。本文提出的避障跟踪优化器能以毫米级的精度同时满足冗余机械臂的轨迹跟踪和避障任务；改进的灰狼算法能有效提高经典灰狼算法的收敛精度。
冗余机械臂 灰狼算法 轨迹跟踪 避障规划 redundant robotic manipulator grey wolf optimizer trajectory tracking obstacle avoidance 光学 精密工程
2023, 31(24): 3595
1 南京理工大学 机械工程学院，江苏南京20094
2 吉林大学 机械与航空航天工程学院，吉林长春13005
3 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240
三轴快速刀具伺服（Fast Tool Servo， FTS）具有更高的刀具空间运动柔性，逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响，研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振，以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合；针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性，提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性，并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型，实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明：所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振，前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明：平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器，对宽频谐波（10~100 Hz）的跟踪结果表明：采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%~50%，进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试，证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。
快速刀具伺服 轨迹跟踪控制 陷波滤波器 前馈解耦补偿 动态迟滞模型 fast tool servo trajectory tracking control notch filter feed-forward decoupling compensation dynamic hysteresis model 光学 精密工程
2023, 31(15): 2236
江苏科技大学电子信息学院, 江苏 镇江 212000
针对复杂水文环境下无人自治水下机器人(AUV)轨迹跟踪实时性较慢、精度较低的问题, 设计了一种基于拉盖尔函数的自适应预测轨迹跟踪控制方法。首先, 基于预测控制将轨迹跟踪问题转化为二次规划设计; 其次, 为解决AUV 轨迹变化以及外部干扰所造成的控制量突变, 融合递推最小二乘法设计了自适应预测控制器; 接着, 采用拉盖尔函数重构控制器, 以解决运算量过大导致的系统响应速度变慢的问题; 最后, 仿真证明了该方法能够提升系统的响应速度、抗干扰性和鲁棒性。
水下机器人 轨迹跟踪 模型预测控制 参数自适应 拉盖尔函数 Autonomous Underwater Vehicle(AUV) trajectory tracking model predictive control parameter self-adaption Laguerre function
1 天津理工大学电气工程与自动化学院, 天津 300000
2 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室, 天津 300000
3 天津中德应用技术大学智能制造学院, 天津 300000
提出一种基于串级线性自抗扰(ADRC)的四旋翼无人机姿态控制器设计方法, 并采用比例-积分-速度(PIV)控制设计位置控制器, 实现四旋翼无人机的轨迹跟踪控制。对于姿态控制系统, 通过对俯仰、滚转和偏航3个通道设计线性扩张状态观测器(LESO), 对系统内部不确定性与外部扰动进行实时观测与补偿。对于位置控制系统, 采用PIV控制算法设计控制器, 完成平移变量的稳定跟踪控制。对所涉及的串级自抗扰姿态控制器的稳定性进行了分析说明。最后, 在Quanser飞行控制实验平台中进行轨迹跟踪实验, 验证了所提方法的有效性。
四旋翼无人机 线性自抗扰控制 线性扩张状态观测器 串级控制 轨迹跟踪 quadrotor UAV LADRC linear extended state observer cascade control trajectory tracking
提出了一种基于改进指数趋近律的滑模控制器的无人机编队建模与控制方法。首先采用弹性系统模型对无人机编队进行动力学分析, 把每个无人机看作一个质量点, 无人机之间的位置关系可以视为编队控制时的约束力; 在此基础上采用一种固定的通信拓扑, 对编队平衡状态进行分析, 建立无人机编队的动力学模型。同时利用一种基于改进指数趋近律的滑模控制器实现无人机编队协同控制, 以此加快系统稳定的收敛速度, 削弱传统滑模控制器的抖振现象, 保证无人机编队协同控制的稳定性。最后,通过实际无人机编队飞行试验来验证无人机编队动力学模型的可行性与无人机编队控制器的稳定性。
无人机编队 滑模控制器 弹性系统模型 轨迹跟踪 UAV formation sliding mode controller elastic system model trajectory tracking
1 徐州徐工汽车制造有限公司, 江苏 徐州 221000
2 江苏科技大学电子信息学院, 江苏 镇江 212000
为解决欠驱动AUV轨迹跟踪中系统收敛速度慢、易发散、模型不确定等问题, 提出了一种有限时间和降阶状态观测器双环闭合的运动控制策略。根据时间尺度原理分为位置控制环和姿态控制环, 位置控制环使用有限时间控制方法来加快位置量的收敛速度; 姿态控制环采用基于降阶扩张状态观测器的动态积分滑模来实现对姿态角的快速收敛和补偿混合不确定项。在三维仿真环境下模拟AUV轨迹跟踪的控制效果, 通过仿真结果可看出: 所设计的控制器在收敛速度、控制精度、鲁棒性及跟踪效果方面均高于常见的轨迹跟踪器, 能较好地满足欠驱动AUV的轨迹跟踪控制需要。
轨迹跟踪控制 有限时间控制 降阶扩张状态观测器 AUV AUV trajectory tracking control limited time control reduced-order extended state observer
中国工程物理研究院电子工程研究所, 四川绵阳 621999
针对具有非对角惯性矩阵和阻尼矩阵的欠驱动无人水面艇(USV)进行了轨迹跟踪控制方法的研究, 提出了基于广义动态逆和滑模变结构理论的控制器, 实现了闭环系统全局渐近稳定。同时, 通过引入动态尺度逆克服动态广义逆可能导致的系统奇异, 通过扰动零投影矩阵来避免零投影矩阵的不可逆问题。最后, 通过 Matlab/Simulink仿真证明了本文方法的有效性。
欠驱动无人艇 轨迹跟踪控制 广义动力学逆 滑模面 underactuated unmanned surface vehicles trajectory tracking control generalized dynamic inversion sliding mode 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(11): 1130
