船舶跟踪控制系统基于其控制输入维数可分为欠驱动系统与全驱动系统。有三个方向控制力矩的全驱动系统具有高精度的特点;而横向没有驱动装置的欠驱动系统具有高可靠性和易维护性的特点。船舶进行水面作业时,因实际情况容易受到来自模型不确定性,未知干扰和输入受限等因素的影响,这使得水面船舶控制系统的轨迹跟踪控制器设计具有挑战性,因此研究水面船舶轨迹跟踪控制具有重要的理论意义与应用价值。本文以三自由度水面船舶为研究对象,从全驱动和欠驱动两方面进行研究。针对存在输入受限、外部环境干扰和模型不确定性的水面船舶控制系统,使用干扰观测器估计干扰。将干扰估计值与控制器结合,实现对控制目标的高精度轨迹跟踪控制。由于传统干扰观测器面对船舶水面作业受到的未知干扰仍存在一定局限性,本文研究了一种有限时间干扰观测器(finite time disturbance observer,FTDO),此类观测器可以实现观测误差有限时间内收敛至零。本文研究内容主要包括以下三个方面:(1)针对受外部环境干扰和输入受限影响的全驱动水面船舶,设计了一种有限时间干扰观测器。基于此有限时间干扰观测器,设计了一种能有效抑制抖振的轨迹跟踪滑模控制算法。此控制算法在输入受限的约束范围内能够对系统进行有效控制,实现水面船舶控制系统的位置跟踪误差渐近趋于零。(2)针对受外部环境干扰和输入受限影响的欠驱动水面船舶,提出了一种快速有限时间干扰观测器,并通过Lyapunov稳定性分析证明其有效性。基于快速有限时间干扰观测器,利用反步法设计了一种新的轨迹跟踪复合控制器,实现了水面船舶控制系统轨迹跟踪误差有限时间内趋于零点半径任意小的邻域内。(3)针对受模型不确定性、外部环境干扰和输入受限影响的欠驱动水面船舶,设计了一种有限时间集中干扰观测器(finite time lump disturbance observer,FTLDO)。基于反步法和有限时间集中干扰观测器,设计了一种新的轨迹跟踪滑模控制器,此控制器能够抑制模型不确定性,外部环境干扰和输入受限的影响。实现了水面船舶系统轨迹跟踪误差有限时间内趋于零点半径任意小的邻域内。
近年来,随着机器人技术的持续发展,作业型飞行机器人系统作为一种新型机器人,为替代人力在高海拔区域高效执行多项复杂任务提供了一种新的途径,引起了广泛关注。作业型飞行机器人是一个集成被动观察与主动操作的作业平台,模拟和学习自然生物在三维空间的行为,体现了机器人技术在三维空间的个体智能。装备特殊的传感器和执行器的作业型飞行机器人在紧急救援、管道建设、海洋工程和科学采样等许多领域已经变得流行起来,该技术在减少人力在危险环境作业的时间、成本和风险等方面具有巨大优势。
该论文侧重于复杂动态条件下作业型飞行机器人的轨迹跟踪控制研究,以推动其在所有行业中的应用,并将解决以下关键挑战:(1)由于抓取目标具有一定的重量,在完成抓取后作业型飞行机器人与抓取目标耦合成的新系统会产生重心(Center of Gravity,Co G)偏移,且惯性张量也与抓取前存在较大差异。因此提出一种基于自适应控制技术的控制方法,估计含有重心偏移的冗余项和惯性张量,同时,通过小脑神经网络(Cerebellar Model Articulation Controller,CMAC)在线拟合惯性张量以逼近其真实值,以保证作业型飞行机器人的飞行安全性。(2)在室外环境中,不仅需要考虑作业型飞行机器人由负载引起的内部扰动,还应考虑来自环境的外部扰动。设计一种基于干扰观测器的鲁棒控制策略以确保飞行的安全性,同时,针对内部扰动和外部扰动导致期望姿态的微分不平坦性,引入动态滑模面以提高飞行的平稳性,进一步地保证室外飞行的安全性。(3)旋翼飞行平台与机械臂结合后,系统存在动力学的强耦合性,这些因素导致控制器无法获得准确的先验动力学模型。提出一种仅依靠机载传感器信息的控制策略,结合辅助系统和自适应技术对动力学模型中机—臂的强耦合项进行估计。在位置环,将欧氏距离作为控制器设计的准则,降低升力计算的复杂度和调参的难度。在姿态环,基于性能规定控制技术和干扰观测器,将系统的姿态约束在规定性能内以保证作业型飞行机器人平稳飞行。(4)相较于传统的飞行机器人,作业型飞行机器人在机体坐标系中有额外的自由度调整相机的位置以更高效的完成巡检任务。针对作业型飞行机器人在室外的巡检作业,提出两种巡检控制器分别考虑了巡检运动的速度限制以及巡检过程的碰撞限制和视野限制,并基于飞行平台与巡检目标的方位提出一种机械臂的运动学求解方法,保证相机实时朝向巡检目标。
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