改进的TECS在VTOL倾转翼无人机中的应用

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以垂直起降(VTOL)倾转翼无人机为研究对象,优化了总能量控制系统(TECS)的核心算法,实现了固定翼模式下的大包线纵向解耦控制,同时设计了垂向速度限幅调节策略和失速保护策略,提高了无人机的飞行安全,降低了工程应用中参数适配的复杂性.经过仿真验证、平原试飞和高原试飞验证,解决了高度控制和速度控制的超调,高度轨迹跟踪误差减小了19.9%,垂向速度限幅调节策略有效.失速保护策略只进行仿真测试,通过强突风干扰诱发失速保护,无人机迅速增大空速,保证了飞行安全.
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基于应急救援物资空投的需求,研发集垂直起降、图像采集及分析和救援物资投放于一体的应急搜救无人机.该无人机可携带救援物资准确飞行至事故中心地带,通过COFDM图像传输技术回传现场画面,并实现救援物资投放,尤其针对灾害情况不明、危险系数高、偏远等情况,使救援行动更加灵活、智能、安全,最大程度减少不必要的伤亡.试验结果表明,该应急搜救无人机可以垂直起降、直航、左右偏转、空投,实现远距离遥控智能救援,以及失联自动返航等功能.
为了实现在未知环境中移动机器人的最优路径规划,并具有快速安全的特性,提出了一种基于空间凸分解和改进区间时间分配的路径规划算法.本算法借助三次贝赛尔曲线来描述路径,同时提出了混合整数二次规划来优化路径.快速性是通过对轨迹的每个区间施加特别的时间分配方案来实现的.在每个重新规划步骤开始时,在自由已知空间中始终有一个可行、安全的备用轨迹,从而确保安全性.仿真实验环境基于Gazebo平台搭建,并基于自主装配的移动机器人进行物理实验,实验结果表明,本算法适用于未知环境下的移动机器人路径规划,且可以有效地进行快速安全
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针对四翼飞行器飞行中的综合干扰和轨迹跟踪的预定性能问题,在基于飞控系统双闭环结构的基础上设计出新型预设性能反演控制算法,实现了高精度轨迹快速跟踪控制目标.首先,将飞控系统动力学模型进行解耦,构造出位置环和姿态环的双闭环控制结构;再依据有限时间性能函数对飞控系统变量误差进行坐标变换,转换成具有稳态和动态性能要求的系统变量;然后,运用反演控制算法结合非线性指数观测器估计综合干扰,以此求出总控制律.最后,通过仿真实验验证了控制算法的有效性和实用性.
为优化无人艇航行的路径,在传统萤火虫算法的基础上,对算法进行了改进,提出了一种改进混沌萤火虫算法,并应用于水面无人艇安全航行的路径规划中.首先采用栅格法构建出环境模型,将萤火虫算法的目标函数定义为移动的步数,并且重新定义了萤火虫距离、相对亮度公式和移动方式.接下来,在原算法的基础上,利用混沌萤火虫算法进行了优化,提高算法的局部搜索能力和鲁棒性.通过对目标函数测试与路径规划仿真对提出的算法进行了验证,相比较其他几种智能算法,该算法收敛速度更快,性能更优,是一种安全有效的无人艇路径规划方法.
针对状态依赖联合连通拓扑下的二阶多智能体系统,提出了主从式编队跟踪及碰撞避免控制策略.考虑主智能体速度可知与不可知两种情形,分别设计了分布式编队控制协议.此外,设计了带有碰撞避免的编队控制协议;其中,碰撞避免势场函数引入了基于相对速度的自适应项,可以有效地减小势场力对编队跟踪误差的负面影响.针对上述结果,分别给出了理论证明,并进行了数值仿真和对比实验,验证了所设计方法的有效性.
研究了多智能体群集系统协同分群控制问题.借鉴蚁群算法,依据虚拟领导者的子群规模需求、个体与虚拟领导者的相对运动方向和个体周围邻居的虚拟领导者选择设计协同分群策略,实现了群体基于局部信息按虚拟领导者的子群规模需求进行协同分群的目的 ,并且在满足子群规模需求的前提下减少了群体在分群过程中的结构和速度调整,加快了子群的速度协调过程和结构稳定过程.基于李雅普诺夫稳定性定理和拉塞尔不变性原理进行了稳定性分析,并利用仿真实验验证了方法的有效性.
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运用扩展状态估计方法解决有色噪声下非线性网络化系统的非脆弱状态估计问题.设计了一种能有效克服非线性干扰、有色噪声、测量信息传输带宽受限及增益扰动的状态估计器,得到了估计误差协方差上界.首先,利用测量值组差法处理测量有色噪声问题,构造新的测量方程,使用新的测量方程进行状态估计;其次,构建round-robin传输协议,降低测量信息在网络交流中受到带宽影响的可能性,同时减少通信负载;然后,通过设计非脆弱估计器,增加系统参数的鲁棒性;最后,通过运用扩展状态估计器,主动估计系统非线性项,使用非线性动态变化率的边界
构造了一类新的三维连续自治混沌系统,该系统含有三个非线性项,其中一项是指数小于1的复合幂函数,给出了系统的混沌吸引子相图,对系统的耗散性、吸引子的存在性、平衡点的稳定性、Lyapunov指数特性进行了动力学分析.结果 表明此系统具有混沌特性,具有复杂的动力学行为且对系统参数具有敏感性,进行了混沌系统的电路设计,从而进一步说明了提出的系统具有丰富的动力学特性以及有效性.