检索结果-内蒙古大学图书馆

导航定位与授时 2021年第1期8卷 41-54页

作者：邵星灵岳晓辉刘俊李杰唐军中北大学仪器与电子学院中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室

针对复杂多扰环境下面向未知运动目标的多智能体对峙跟踪问题,提出了一种基于固定阈值事件触发扩张状态观测器(FTESO)的多智能体协同目标环绕控制方法。首先,建立了智能体与目标的相对运动模型,将目标加速度、模型非线性、环境摄动视为... 详细信息

针对复杂多扰环境下面向未知运动目标的多智能体对峙跟踪问题,提出了一种基于固定阈值事件触发扩张状态观测器(FTESO)的多智能体协同目标环绕控制方法。首先,建立了智能体与目标的相对运动模型,将目标加速度、模型非线性、环境摄动视为集总干扰,利用量测的相对位置信息构造可降低测量端状态更新频次的FTESO,以实现在非周期采样条件下对于相对速度不可测和集总干扰未知的精准估计。其次,结合速度方向场理论生成目标与智能体间的期望相对速度,根据相邻智能体间的相对角间距信息与FTESO的观测结果,设计了一种不依赖目标加速度信息的多智能体相位协同一致性协议,使得多智能体能够以指定环绕半径、环绕角速度和相对角间距实现对未知运动目标的环绕跟踪。借助Lyapunov稳定性理论,证明了闭环系统中所有误差信号最终一致有界。最后,通过仿真和比较结果验证了所提算法的有效性。

关键词：相位协同目标环绕固定阈值事件触发扩张状态观测器

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基于路径与目标引导的欠驱动无人艇有限时间控制及协同

基于路径与目标引导的欠驱动无人艇有限时间控制及协同

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作者：高政大连海事大学

学位级别：硕士

海洋被视为潜力巨大的资源宝库,承载着人类生存与可持续发展的重要使命,也成为国际竞争与合作的重要舞台。无人艇作为一种高度智能化的无人驾驶水面航行器,具备自主应对海洋环境干扰的能力,广泛应用于海洋运输、海洋资源勘探、海上救援... 详细信息

海洋被视为潜力巨大的资源宝库,承载着人类生存与可持续发展的重要使命,也成为国际竞争与合作的重要舞台。无人艇作为一种高度智能化的无人驾驶水面航行器,具备自主应对海洋环境干扰的能力,广泛应用于海洋运输、海洋资源勘探、海上救援等领域。本文聚焦于三自由度欠驱动无人艇,研究了无人艇路径跟踪和目标环绕控制问题,具体内容包括以下三方面首先,研究基于路径引导的欠驱动单无人艇路径跟踪控制问题。针对含有未知非线性项、未知时变侧滑运动、未知外部环境干扰和执行器饱和的欠驱动无人艇系统,提出了基于视线法(Line of sight-LOS)制导原理和超螺旋(super-twisting)滑模控制策略的无人艇路径跟踪有限时间控制方案。在无人艇运动学层面,利用有限时间扩展状态观测器,实现对未知时变侧滑角的准确估计,基于观测值和视线法制导原理设计有限时间制导律(参考航向角)。在无人艇动力学层面,设计了一种可以防止执行器饱和的双层自适应super-twisting积分滑模控制器,此控制器取消了对集中不确定性先验有界已知的假设,并削弱了传统滑模控制的抖振现象,通过引入辅助系统解决了执行器饱和问题。利用李亚普诺夫稳定性理论分别证明了运动学子系统和动力学子系统是有限时间稳定的。通过与其它方案进行对比的数值仿真结果,说明了本文所提算法的有效性。然后,考虑到单无人艇路径跟踪控制的局限性,研究基于路径引导的多无人艇协同路径跟踪控制问题。针对含有模型不确定性、未知时变侧滑运动和外部海洋环境干扰的多无人艇系统,提出了基于视线法制导策略和自适应模糊滑模的有限时间协同路径跟踪控制方案。在运动学层面,对未知量设计有限时间扩展状态观测器,利用观测值和视线法制导策略设计有限时间协同制导律,包括期望纵荡速度、艏摇角速度和路径参数更新律。在动力学层面,在滑模控制的背景下,提出一种将模糊逻辑系统与最小参数学习算法相结合的控制方案,通过单个参数的在线更新来替代对所有权重参数进行在线更新,避免了沉重的计算负担,通过引入辅助系统,解决了执行器饱和问题。利用李亚普诺夫稳定性理论分别证明了运动学子系统和动力学子系统是有限时间稳定的,同时保证了所有信号一致最终有界。通过与其它方案进行对比的数值仿真结果,验证了本文所提基于视线法制导原理和自适应模糊滑模控制的有效性和准确性。最后,研究了基于目标引导的多无人艇协同目标环绕控制问题。对于具有未知非线性项、未知外部环境干扰和执行器饱和的欠驱动无人艇系统,提出了基于视线法制导原理和基于预估器的径向基(Radial Basis Function-RBF)神经网络控制策略的有限时间协同目标环绕控制方案。在无人艇运动学层面,考虑到通讯资源的限制,为每艘跟随无人艇设计分布式固定时间观测器,实现对目标无人艇位置信息的准确估计。利用观测值和视线法制导原理,设计有限时间距离保持环绕制导律和有限时间相位保持环绕制导律,实现了每艘跟随无人艇以固定的距离对目标无人艇进行环绕运动,并且相邻跟随无人艇之间保持相同的分离角。在动力学层面,考虑到无人艇未知非线性项与时变干扰,设计基于预估器的有限时间RBF神经网络控制器,利用RBF神经网络逼近动力学系统的集中不确定性,通过引入辅助系统,解决了执行器饱和问题。利用李亚普诺夫稳定性理论分析了跟随无人艇运动学子系统和动力学子系统是实际有限时间稳定的。数值仿真结果验证了本文所提基于视线法制导原理和预估RBF神经网络控制方案的有效性。

关键词：欠驱动无人艇路径跟踪目标环绕视线法制导有限时间

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多动态目标的多机器人协同环航控制

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计算机测量与控制 2023年第1期31卷 71-78页

作者：赵桥李博项融融中北大学仪器与动态测试教育部重点实验室太原030051

主要研究了多个非完整机器人对多个动态目标的协同环航控制问题;首先,针对多目标护航任务,建立目标扩展圆形构型,以期完成紧密目标保卫任务;其次,针对护航机器人,通过利用自身及相邻节点的位置与方位信息及所包围的动态目标的中心位置... 详细信息

主要研究了多个非完整机器人对多个动态目标的协同环航控制问题;首先,针对多目标护航任务,建立目标扩展圆形构型,以期完成紧密目标保卫任务;其次,针对护航机器人,通过利用自身及相邻节点的位置与方位信息及所包围的动态目标的中心位置及扩展半径设计分布式时变圆形编队控制协议,实现预定几何分布下的机器人环航编队设计;其中,通过引入虚拟信号变量设计期望的速度及角速度控制律,利用反步技术提出了一种新的考虑时变护航半径的分布式控制策略;在对目标节点速度的温和假设下,所提出的编队控制器可以驱动多护航机器人渐近收敛到以多目标中心的圆上,同时维持一个预定的几何编队配置;Lyapunov分析证明了所有的误差都可以渐进稳定到原点,数值仿真核实了所构建的控制方案的可行性。

关键词：多非完整机器人多目标跟踪目标环绕反步技术协同控制时变半径

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无人机在探测资源约束下的环绕控制技术研究

无人机在探测资源约束下的环绕控制技术研究

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作者：李世雄中北大学

学位级别：硕士

随着科学技术水平的不断进步,无人机的功能也日渐丰富,它相对于载人飞机而言拥有很多优势,如体积小、使用方便、成本低廉、隐蔽能力强等,所以在一些特定的场景,它已经取代载人飞机,并在监视和跟踪任务等各种工程应用中得到了广泛的应用... 详细信息

随着科学技术水平的不断进步,无人机的功能也日渐丰富,它相对于载人飞机而言拥有很多优势,如体积小、使用方便、成本低廉、隐蔽能力强等,所以在一些特定的场景,它已经取代载人飞机,并在监视和跟踪任务等各种工程应用中得到了广泛的应用。路径跟随、环绕控制和轨迹跟踪是公认的三种较为经典的运动情形。其中,环绕控制是无人驾驶智能系统的前瞻性研究,是无人机执行目标定位、区域监测和搜查等多种任务的关键技术方法。本论文以无人机为模型,探讨了多种控制方法,包括单机圆形环绕、多机等相位圆形环绕、单机椭圆环绕以及多机等弧长椭圆环绕,从探测资源有限、暂态性能增强和环绕构型变化等多个方面出发,深入研究探测资源约束下的无人机环航控制方法。研究内容主要包括:1)针对环绕场景下未知目标信息难获取的问题,设计了一种相对距离信息估计器,在只有无人机与目标之间相对距离可测的情况下,实现对目标位置信息的重构,解决了在灰尘、雪或雾等能见度较低的环境下,无人机通过单目摄像机测量方位角信息不准确的问题。其次,借助于相对距离估计器来估计方位角,从而构造了包含径向校正和法向绕飞的水平环绕制导律,实现了无人机对未知静止目标的跟踪环绕。2)针对单架无人机在对目标进行跟踪侦查时存在效率低、灵活性差的问题,通过定义相邻角间距协调误差,推导出由无向图连接的多架无人机的多圆环绕控制策略,实现无人机与运动目标相关的编队行为,确保每架无人机以期望的环绕半径和环绕角速度对目标实施跟踪,从而达到目标被多角度动态监控的效果。此外,为了避免每架无人机都需要探测目标状态的要求,通过引入固定时间分布式观测器,使每架无人机都能获得固定时间意义上的状态估计,且不考虑初始属性,也可以离线确定收敛时间的上边界,极大地减轻了通信流量的负担。最后,在固定时间分布式观测器的帮助下,推导出了分布式圆形环绕控制器,以迫使所有无人机在保持所需角间距的情况下,沿预设的圆形协同运行。3)针对目前圆形环绕在复杂、不规则的工作场景缺乏灵活性和适应性,能耗较大,观测效率较低的缺点,提出一种不依赖于全局信息、仅距离信息可测的椭圆环绕控制方法。首先,利用现有距离数据构造了一个具有指数误差收敛性的相对位置估计器,解决探测资源受限下目标状态提取难题。接着,根据相对位置估计器的结果计算出估计的方位角,推导参数化时变半径和与方位角相关的切向速度方向,构造出一种更通用的椭圆环绕控制,以保持对目标的环绕控制。此外,由于基于距离的估计器引起的观测误差与控制误差之间的高度耦合,使得系统的稳定性分析更加复杂和棘手。4)为了克服无人机在GPS受到攻击或干扰的敌对环境中对全球位置数据的依赖,通过设计仅距离已知的相对位置观测器,制定了一个不依赖GPS的多无人机协作椭圆绕圈控制器,迫使所有无人机沿着规定的椭圆协同环绕。此外,针对现有的协同环绕主要研究的是部署相邻的分离角来实现无人机的编队行为,对于椭圆环绕而言,由于相等的分离角在椭圆轨迹上不再对应相等的相对距离,使得现有方案存在不可避免的侵略性机动和来自分离角度部署的显著能量消耗的难题,通过定义一种新的相对于相邻弧长的协调误差,基于有向通信拓扑结构,推导出一种协作椭圆环绕控制策略,使其在匀速前进时具有理想弧距的编队行为。

关键词：无人机探测资源受限目标环绕协同环绕制导固定时间一致性

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多移动机器人运动协调与跟踪控制方法及应用研究

多移动机器人运动协调与跟踪控制方法及应用研究

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作者：易国湖南大学

学位级别：博士

随着工业4.0时代的到来，机器人在智能工厂和智能制造中发挥了越来越重要的作用，物联网和大数据的运用也为机器人带来了新的变革。移动机器人在军事和民用领域中有着广泛的应用，如监视、捕获/护卫、行星探测、仓储物流、采矿、建筑、... 详细信息

随着工业4.0时代的到来，机器人在智能工厂和智能制造中发挥了越来越重要的作用，物联网和大数据的运用也为机器人带来了新的变革。移动机器人在军事和民用领域中有着广泛的应用，如监视、捕获/护卫、行星探测、仓储物流、采矿、建筑、移动传感网络对未知环境采样等。通过多个机器人的协调与合作，使得机器人有能力应对更为复杂的任务，同时也希望机器人兼具移动平台提供的移动性和机械臂的灵活操作性。本文深入研究了多移动机器人运动协调和移动机器人作业跟踪控制问题，具体的研究工作和贡献归纳如下：　　1)考虑了单个或多个非完整约束移动机器人对运动或静止目标的环绕问题。每个机器人仅通过自身和其相邻的机器人的位置与方向信息以及所追踪的目标的位置信息来协调其运动，基于动态反馈线性化方法设计了一种环绕控制策略，利用一个非线性函数来控制机器人之间的相对角间距;使多个机器人以期望的相对距离、角速度和角间距环绕运动或静止的目标;利用Lyapunov工具对控制算法进行了渐近稳定性和收敛性分析;进行了数值仿真和实验验证，表明了所提出算法的有效性。　　2)针对一阶模型的多移动机器人对运动目标环绕和避障问题进行了研究。首先，基于零空间行为控制架构设计了控制策略;将机器人的任务分为对运动目标环绕和避免与环境中的障碍物发生碰撞两个基本任务;环绕控制策略采用两个梯度场相互正交的势函数进行设计，每个势函数定义一个控制目标，使多个机器人能够以期望的与目标之间的相对距离和机器人之间的距离对目标进行环绕;使用Lyapunov工具进行了渐近稳定性和收敛性分析;进行了数值仿真和实验验证，表明了所提出算法的有效性。　　3)在多机器人之间的交互关系是局部的条件下，设计了一种非完整多移动机器人分布式领航－跟随编队方法。首先提出了一种分布式估计策略，为每个跟随机器人估计(虚拟)领航机器人的位置、方向、线速度等状态;接着利用每个跟随机器人的跟踪误差设计了编队控制算法;使用Lyapunov工具进行了渐近稳定性和收敛性分析;进行了数值仿真和实验验证，表明了所提出算法的有效性。　　4)在领航－跟随机器人之间的通信拓扑结构和领航机器人的速度满足一定假设条件下，提出了分布式估计算法，为每个跟随机器人估计(虚拟)领航机器人的位置、方向和线速度等状态信息，其中对线速度的状态估计采用滑模方法;基于跟随机器人的跟踪误差设计了控制算法，为了解决机器人速度突变问题，将生物激励神经动力学模型集成到控制算法中;使用Lyapunov工具进行了渐近稳定性和收敛性分析;进行了数值仿真和实验验证，表明了所提出算法的有效性。　　5)研究了间歇通信机制下一种双积分多机器人系统领航－跟随一致性跟踪问题。假设机器人之间的通信拓扑在有限个有向图之间切换;将多机器人的一致性问题转换为误差动态系统的稳定性问题。利用拓扑依赖平均驻留时间方法研究了由Hurwitz稳定和不稳定子系统组成的误差切换系统的稳定性，给出了误差切换系统一致性跟踪收敛的条件;使用Lyapunov工具进行了渐近稳定性和收敛性分析;进行了数值仿真，表明了方法的有效性。　　6)在存在不确定性和干扰的情况下，考虑了非完整移动机器人作业跟踪控制问题。假设移动机械臂的运动学子系统通过坐标变换可以转换为链式标准模型，并且移动机械臂的动力学子系统在不考虑外界干扰的情况下是精确已知的，采用反演技术设计了基于模型的控制策略;由于移动机械臂的动力学不可避免地存在不确定性和干扰，该策略在实际应用中可能不适用，因此设计了不需明确系统动力学知识的基于循环神经网络(RNN)的控制系统，控制系统包括一个RNN识别器和一个补偿控制器，其中RNN用于在线识别未知动力学，补偿控制器用于补偿近似误差和外部干扰;控制系统的在线自适应律由Lyapunov理论导出;仿真结果表明了所提出的控制方法的良好跟踪性能和鲁棒性。　　最后，对论文的主要工作和创新性成果进行了总结，并对未来工作进行了展望。

关键词：移动机器人多智能体系统目标环绕编队控制一致性跟踪轨迹跟踪

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