考虑滑块动态特性的变质心四旋翼无人机双回路控制

针对滑块动态特性引入的附加干扰力矩造成系统姿态抖动强烈的问题,开展变质心四旋翼无人机滑块参数设计与姿态/伺服双回路控制研究。通过建立双滑块变质心四旋翼无人机八自由度运动模型,明确了滑块的引入对系统的影响,给出了与滑块动态特性相关的各项附加干扰力矩;分析并设计了滑块的安装位置、质量以及行程等参数,降低滑块对系统的耦合与干扰;最后以滑块驱动力作为控制量,设计了姿态/伺服双回路动态滑模控制器,同时利用非线性扰动观测器对复合扰动进行估计和补偿,并进行了仿真试验。仿真结果表明,在考虑滑块动态特性的情况下,所设计的控制器能够实现对变质心四旋翼无人机的姿态控制,并具有良好的抗干扰性能与鲁棒性。

大质量比滚控式变质心飞行器动力学特性分析

针对大质量比滚控式变质心再入飞行器结构参数设计问题,建立了包含活动体偏转运动的完整飞行器姿态伺服动力学模型,进而对活动体参数设计对姿态动力学耦合特性的影响展开分析研究。首先根据Routh准则给出了飞行器的纵向静稳定区域,并讨论了配平攻角与活动体配置参数间的关系。对飞行器系统的动力学耦合分析结果表明,活动体偏转在控制滚转姿态的同时会对偏航姿态产生影响,进而造成控制精度的下降,甚至导致不稳定的飞行状态。为了在飞行器结构参数的优化设计中提高飞行器的控制性能、最小化飞行器滚转机动对偏航通道的影响,采用多尺度法对活动体偏转与飞行器偏航姿态运动构成的耦合非线性动力学系统在不同构型参数下的稳态解析解进行幅频响应特性分析,并给出考虑滚转偏航耦合约束下的大质量比滚控式变质心飞行器构型设计方案。

应用多传感器激光视觉的焊接机器人变质心补偿控制

制造、安装、机械传动和温度变化等诸多方面的误差较大,产生补偿机器人变质心偏移度,任务执行途中失去期望位姿,为了提高焊接机器人工作效率,提出应用多传感器激光视觉的焊接机器人变质心补偿控制方法。建立焊接机器人变质心模型,应用激光传感器扫描焊接机器人实际轨迹和位姿的几何特征,获取激光视觉图像标定管道焊缝,结合PLC控制器,调整焊接机器人轨迹和位姿,消除惯性力对变质心位移的干扰,实现焊接机器人变质心补偿控制。实验结果表明,在X-Y坐标面、Z-X坐标面和Z-Y坐标面上的变质心补偿轨迹均与期望轨迹误差5 cm左右,高度重合;控制后,焊接机器人惯性位移在0.1 cm之内,近似于零,惯性力不再引导焊接机器人移动,可以稳定停靠在目标位置,变质心控制性能好。

基于变质心高度策略仿人机器人变步长步态规划

针对仿人机器人步态切换越障需求,提出一种基于变质心高度策略的变步长步态规划方法。首先,分析质心(CoM)高度变化对机器人步态的影响,将1个步行周期分为3个阶段,包括质心下降、上升和定高度过程,规划质心高度轨迹。然后,规划零力矩点(ZMP)参考轨迹,基于变高度倒立摆模型,通过托马斯算法解算质心轨迹。为了增强鲁棒性,考虑到机器人越障时步行参数变化的步态切换需求,提出一个具有等式约束的二次规划问题,求解质心优化轨迹。最后,以NAO机器人为实验平台,进行变步长步行对比实验。结果表明:所提出的基于变质心高度策略的步态规划方法,能够实现机器人大步幅变步长稳定步行,实现步态平滑切换,相比于恒定质心高度方法,所提方法的步行平均能耗降低约10%。

变质心控制策略分析

导弹高速飞行时，气动舵控制方案存在着舵面烧蚀及控制效率降低等弊端。本文研究了一种新颖的适用于再入飞行器的控制方法──变质心控制，从根本上克服了气动舵控制方法的不足。建立了完整的变质心控制导弹六自由度非线性动力学方程，深入分析由于导弹质心移动引起弹体姿态角变化的两个重要因素，分别给出针对弹体自旋转角频率高、低不同情况时相应的控制策略，为进一步设计导弹控制系统奠定了坚实的基础。

基于变质心控制方式的再入弹头控制模式研究

弹头变质心机动控制是通过移动弹头的质心位置,利用气动配平力矩改变弹头的飞行姿态和攻角,从而可实现弹头机动控制。本文在推导变质心弹头的动力学方程的基础上,通过分析其方程组的特点并结合弹头再入过程中的气动、速度等参数变化规律,给出了变质心弹头再入过程中宜采用的控制模式,为变质心弹头控制律的设计提供了理论参考。

基于变质心控制导弹的运动分析

导弹变质心机动控制通过改变弹头的质心 ,利用气动配平力矩改变弹头飞行姿态和攻角 ,从而实现导弹机动控制。本文首次详细推导了基于变质心控制导弹的空间六自由度的动力学方程 ,并建立了一套完整的仿真系统 ,针对导弹在垂直平面内运动情况进行仿真 。

飞行器变质心控制及性能分析

在合理简化基础上,推导了滑块运动与飞行器姿态角运动之间的关系,分析了配平攻角产生机理及条件;同时还深入分析了轴向位置、横向偏移量、质量比等滑块结构参数对配平攻角的影响;以及不同配平条件下弹道落点偏差情况。结果表明,气动阻力与系统质心偏移弹体纵轴是产生配平攻角两个必要因素,系统静稳定是产生配平攻角的前提条件;轴向位置决定了系统静稳定裕度,与配平攻角呈反比关系;横向偏移量改变控制力矩的力臂,与配平攻角呈正比关系;质量比对力臂和系统静稳定裕度均有影响,与配平攻角呈线性或非线性正比关系;变质心控制能力主要体现在低空段。

变质心控制导弹H_∞综合LPV鲁棒自动驾驶仪的设计

线性系统就系统描述的参数变化情况可划分为 LTI、LTV和 LPV 3种类型 ,变质心控制导弹的线性化模型是在特定的简化条件下得到的 ,是一种典型的存在模型不确定性的 LPV系统 ,且导弹工作在较宽的飞行条件下 ,其参数变化范围很大 ;为了使设计的自动驾驶仪具有足够的稳定裕度和能够适应较大参数变化范围的能力 ,文中利用凸多面体理论 ,基于自调整 LPV综合 H∞ 鲁棒控制器的设计方法 ,针对变质心控制导弹的自动驾驶仪 ,在系统满足控制器的存在性定理的条件下 ,给出了设计方法 ,这种设计方法简单、在线计算量小 ,通过仿真结果验证了变质心矩自动驾驶仪能够完全满足鲁棒性和全域操作的设计要求。

变质心旋转弹头变结构控制研究

针对弹头变质心这种新的控制方式,建立了变质心旋转弹头准弹体下的动力学模型,由于模型是复杂非线性的,通过按线性化族近似化理论对模型进行了合理简化,并用变结构控制理论对系统的姿态控制进行了设计,仿真结果表明,所设计的变质心弹头变结构姿态控制具有很好的快速性、稳定性,而且相对减小了抖震现象,证明这种方法是有效的。

变质心控制导弹的稳定性分析与鲁棒控制

利用根轨迹法对变质心控制旋转导弹的稳定性进行分析 ,给出了变质心控制导弹稳定的充分必要条件 .针对弹体参数大范围剧烈变化的特点 ,根据 H∞ 控制理论 ,设计了 H∞ 状态反馈鲁棒控制器 .大大减小了弹体自身参数变化对制导系统性能的不良影响 。

基于变质心控制的低速水下航行器动力学建模

针对水下滑翔机器人在低速运动过程中常规鳍舵低的问题,提出了通过设在航行器内部的3个滑动质量块运动,改变机器人动力学系统质心,从而改变了作用在机器人上的流体动力力矩,进而改变其姿态角,从根本上克服了常规的鳍舵控制方法的不足。本文基于广义d’Alembert方程推导了基于变质心控制的水下滑翔机器人的4刚体9自由度动力学方程,进行了纵平面下的弹道仿真。

基于变质心控制的再入飞行器机动能力分析

变质心控制作为一种新颖的控制方式,可克服传统再入飞行器气动舵等控制方案存在的舵面烧灼等弊端,它通过主动移动飞行器内部若干个质量块,可以有效调整飞行器的姿态并实现飞行器的姿态和机动控制。本文在推导变质心再入飞行器动力学方程的基础上,对该动力学方程进行了必要的简化,从而得到了变质心再入飞行器纵平面内的动力学和运动学方程,并计算得到质量块不同行程下飞行器可产生的法向过载大小。本文的研究对于变质心再入飞行器控制系统的设计提供了必要的理论参考依据。

再入飞行器变质心/RCS复合控制策略研究

再入飞行器采用变质心控制不但可以保持较好的气动外形,还可以降低能量消耗增大载荷能力,但该控制对气动力依赖较强,在气动力不足时需要借助其它控制系统来实现精确控制要求。文章研究了全空域飞行情况下变质心/RCS复合控制策略。通过对控制受限情况下变质心控制系统力矩配平和闭环响应快速性能的分析,将变质心控制的可行性转化为重压心距不等式组解的存在性,并基于此工程估算方法给出从变质心控制切换为RCS控制的复合控制策略。最后,通过对某再入飞行器一条典型机动弹道的仿真实验,验证了复合控制策略的有效性。

变质心再入飞行器的动态逆控制器设计

在推导三通道稳定再入飞行器动力学方程的基础上,运用动态逆控制理论设计了三通道稳定模式下变质心再入飞行器的控制系统。仿真结果表明,所设计的控制系统能够有效地调整再入飞行器的飞行姿态并满足设计指标要求。

平流层飞艇变质心姿态运动仿真

针对平流层飞艇工作高度空气密度低,飞行速度低的特点,提出了变质心姿态控制的方案。在机体坐标系下,采用牛顿—欧拉方法建立了浮空器的动力学方程,并分析了变质心动力学模型的特性,给出了质量滑块的参数化驱动方法。采用了ADAMS动力学分析软件,进行了不同飞行条件下的变质心动力学仿真。仿真结果显示了滑块质量、位移、速度以及飞艇速度等条件的改变对姿态控制的影响,结果表明:滑块的质量比和移动距离是影响变质心姿态控制能力的主要因素,滑块的速度决定系统的响应特性;变质心操纵能力不受飞行速度的影响,因此在低速飞行时具有很强的适应性。

提高变质心飞行器可操纵性的方法研究

针对滑块运动容易引起系统抖动,以及惯性主轴偏移引起系统耦合严重等问题,基于达朗伯原理对变质心飞行器结构布局进行了设计。其特点是:以主动控制力、约束反力这两种内力替换滑块受到的惯性力,代入弹体、滑块动力学模型中,并依靠内力、过载等物理量设计系统布局参数。布局设计后特点是两滑块运动通道分别重合于弹体惯性主轴方向,通过与典型布局模型相比较,显示了所提出的布局结构可保证系统具有良好的动态品质。

单滑块变质心非对称再入飞行器建模及控制

针对单个滑块控制的非对称再入飞行器,采用"隔离法"的建模思路,将滑块和外部壳体分别作为研究对象,建立了非对称再入飞行器七自由度非线性动力学模型。在此基础上,对单滑块控制的非对称再入飞行器的动力学特性进行了详细的分析,提出了滚转控制方案。在对非线性模型进行合理简化的基础上推导了传递函数,并采用标准系数法对控制系统参数进行了设计。最后,通过数学仿真结果验证了动力学模型的准确性和控制方案的可行性。

单滑块变质心再入飞行器分岔特性

基于非线性动力学模型,给出了单滑块变质心再入飞行器的平衡点及其稳定性随滑块偏移距离的变化规律,得到了系统分岔图,并在此基础上求解了典型条件下各吸引子的吸引域。结果表明滑块偏移距离对再入飞行器的平衡点数量及稳定性具有明显的影响,同时初始飞行条件对飞行器的最终收敛状态也具有重要的影响,不合适的初始条件有可能导致飞行器被锁定在不期望的平衡点或极限环中,从而引起失速或失控等问题。此外,通过分析不同系统参数下的分岔图变化规律,总结了再入飞行器结构及气动参数对系统分岔特性的影响,进而为系统参数的设计提供了参考。

变质心再入飞行器的灰色预测PID控制

再入飞行器采用变质心控制不但可以保持较好的气动外形,还可以增大机动能力,但变质心控制较强的非线性和控制耦合特性使控制器设计成本和使用性能之间的协调非常困难。文章提出了一种基于灰色GM(1,1)预测模型的变质心PID离散控制器,首先依据变质心控制机理提出增加配平位置补偿的PID控制结构,然后采用GM(1,1)模型对配平位置和姿态控制偏差进行在线快速建模预测,最后将预测值应用于改进的PID控制算法以获得控制指令。仿真结果证明该变质心灰色预测PID控制相对常规PID控制具有更好的动态特性和非线性系统自适应能力,且仍具有较低的设计成本和较强的工程实用性。