结合机器学习的无人机自主对接过程的目标识别定位

针对无人机空中自主对接时,软式锥套受尾流场和牵引力强位置约束、锥套传递力等因素导致拖曳锥套运动复杂而存在扰动、鞭打等干扰的问题,提出一种基于机器视觉的单目视觉自主实时识别与定位方法,通过特征提取与分类器分类进行目标检测与识别,分阶段对无人机和靶标关键点进行实时相对位置测量。在机载探测与计算平台实验进行系统应用验证,完成了机动锥套自主对接地面实验,结果表明目标检测精度可达90%,平均响应帧率可达41.322 Hz,定位误差可达厘米量级,证明了所提的软式机动锥套空中自主对接方法的有效性。

分体式飞行汽车全自主对接导引系统设计与验证

研究针对分体式飞行汽车全自主对接导引系统的流程架构、软硬件系统、核心算法以及验证.根据导引方式的过渡,采用远程、中程、近程多段融合导引.针对YOLOv4-tiny实际使用中的误检、漏检情况,使用点密度聚类和核相关滤波算法提供光顺的融合信息.提出修正因子方法以实现近程导引阶段AprilTag测量数据的融合修正,通过姿态补偿算法解决相机与无人机固连的相机姿态问题.引入暗光图像增强算法,将引入算法与视觉导引算法结合,以满足低照度环境下的对接导引需求.搭建仿真平台和工程应用平台,逐步对发展的流程、系统架构以及算法进行验证.试验结果表明,工程应用飞行平台可以导引安全、平稳且精准的降落任务,在圆锥形对接机构中的容许误差为6 cm、角度误差为5°.该结果证明提出的全自主对接导引技术精度良好且具有可靠性.

自主对接充电系统设计

当今无人机、无人船等自动驾驶运输技术迅速发展,长时间使用的无人机、无人船需要自主充电,因此自主对接充电系统是研究的热点。本设计通过主动激光校准、磁吸式锁紧装置及无线/接触式充电方式,自主进行充电,以解决无人机、无人船续航时间短的问题。本自主对接充电系统包含自主对接控制系统、机械固定装置,充电控制系统等组成。制作了基于无人机的自主对接充电系统模型机,经测试结果表明,测试无人机可以自动对接充电系统,充电30分钟,可飞行15分钟,达到了设计要求。

面向在轨服务的自主对接控制方法与试验研究

针对在轨服务地面演示试验系统,进行了对服务星自主对接控制方法的研究,利用光学测量对服务星进行相对导航,通过一类基于BP神经网络的鲁棒自适应PD联合控制算法使6个推力器对服务星的二维平动与一维转动进行联合控制。完成了在目标星静止的情况下,服务星自主接近与对接试验。结果表明了所用控制方法的可行性。

基于超声波的自重构移动机器人自主对接方法

分别在两个对接模块上使用一个超声波发射头和一个超声波接收头,并利用超声波信号对距离和角度敏感的特性,实现了两个机器人模块的对接.实验表明,两个机器人模块交替进行自转与超声波导引可以最终将两模块对齐在一条线上.此方法普遍适用于平面上其它类型机器人模块间的相互对接.

用于自主对接接近段控制的改进双脉冲控制方法

基于CW方程解的双脉冲控制方法是解决对接接近段控制经常采用的方法,但在推力受限、测量视场受限及安全接近等实际问题存在的前提下,双脉冲控制方法已经无能为力,本文给出了一种推力受限的改进双脉冲控制方案,推导并证明了满足测量视场受限的终端位置可达条件和满足安全接近的过渡时间τ的不等式,并通过数学仿真验证了控制方法的有效性。

类二次型最优控制方法在自主对接控制中的应用研究

针对参数已知的线性定常二阶系统 ,本文给出了直接求解 Riccati方程的方法 ,并在此基础上 ,将该方法得到的结果应用到参数未知的线性定常或慢时变系统中 ,使用估计参数直接求出反馈增益矩阵 ,提出了一种类二次型最优控制方法 。

基于视觉和定位系统的无人艇自主对接系统

为实现对无人艇的自主回收,通过无人艇和悬浮托架的双向视觉导引,构建基于视觉和定位系统的无人艇自主对接系统。视觉对接系统通过检测网络分别检测出图像中的无人艇和悬浮托架。针对托架视觉检测的目标,利用位置定位信息排除非目标艇,采用单目标跟踪算法(CSR-DCF)对目标艇进行跟踪。为实现无人艇和托架的高精度稳定检测,在Tiny-YOLOv3的基础上,基于细节特征的需求,构建小尺度检测分支,提出一种定位增强轻量级检测网络,对于艇、托架的定位性能分别提升3.48%mIOU、4.32%mIOU,检测精度分别提升4.97%AP、6.17%AP。自主对接系统在二级海况下对接成功率达到90.9%。

自重构机器人锁紧机构设计及自主对接研究

自主对接是实现机器人自重构的关键技术。基于新型自重构模块化机器人M2SBot的结构,设计了独特的正弦加速度槽凸轮式对接锁紧机构,可实现可靠连接。同时提出一种新的三维空间对接算法,将基于罗德里格矩阵的公共点法与爬山搜索算法相结合,扩大了两个待接面间空间偏移角的搜索范围。该算法利用红外线传感器计算两模块间的相对位姿偏差,通过逐步调整各个偏移量实现对接。最后分析了整个过程的对接策略。仿真结果表明,该锁紧机构和对接算法可以有效地实现模块间的对接。

AUV自主对接回收动力定位控制系统设计与实现

针对自主水下机器人(AUV)数据上传困难、布放回收繁琐等问题,基于自主研发的“探海Ⅱ型”全驱动AUV,利用超短基线(USBL)、惯性导航系统、多普勒计程仪(DVL)、双目摄像机等装置设计全驱动AUV自主对接回收动力定位控制系统,通过动力定位控制器抵抗随机浪流扰动,实现水下精准对接回收。最终分别在校内拖曳水池及苏州某湖进行实验测试,完成AUV动力定位控制、自主对接等实验,且水下自主对接实验成功率超过90%,验证了该系统的有效性及可靠性。

基于视觉误差反馈的自主对接研究

本文提出了一种基于视觉误差反馈的自主对接方法。传统的视觉姿态估计方法是依靠先看后动一步完成的，没有利用视觉的误差反馈信息、而本文提出的方法根据目标器特征点的相机成像位置与理想位置的差来调整目标器的位置和姿态，它可根据误差大小情况进行多步调整；能实现六个自由度的自主对接。实验证明了该方法的有效性。

面向分体式飞行汽车自主对接的自动驾驶底盘运动规划方法研究

飞行汽车是引领汽车行业未来技术发展的战略新兴方向,分体式飞行汽车作为飞行汽车的主流构型之一,由自动驾驶底盘、智能操控座舱和垂直起降飞行器三部分组成,为完成各部分的自主对接和组合,自动驾驶底盘需要沿规划的路径精确行驶至起飞行器正下方。当前运动规划方法缺乏对来自传感器、控制器和执行器等诸多不确定因素的考虑,导致路径跟踪过程中底盘行驶轨迹偏离规划轨迹,难以精确行驶至预定位置,完成对接。为解决这一问题,提出一种基于长短期记忆网络(Long short-term memory,LSTM)车辆模型的自动驾驶底盘轨迹规划方法。采用LSTM网络表征自动驾驶底盘的运动学特性,在此基础上建立车辆运动学模型。基于该模型,构建模型预测控制架构下的滚动时域优化问题。进而采用基于向量加权平均值的优化方法求解该非线性优化问题,得到符合底盘运动学特性的行驶轨迹。基于团队研制的分体式飞行汽车样机,将提出的规划方法进行试验验证。在转弯场景中,采用提出的方法的底盘平均纵向位置偏差、最大纵向位置偏差与传统模型预测控制(Model predictive control,MPC)方法相比分别下降了78.89%、79.64%和86.67%。

软式拖曳捕获器自主对接控制系统设计与车载试验

软式拖曳捕获器受尾流场扰动、刚柔耦合多体牵引系统约束、载机振动等扰动,导致捕获器末端运动复杂,自主对接与捕获控制难度高。针对软式拖曳捕获器自主对接与捕获控制系统,设计了满足自主对接与捕获控制要求的直接力位姿解耦控制,并集成基于机器学习的视觉定位传感系统,形成了整套软式拖曳捕获器自主对接与捕获无人机控制系统。通过按照相似准则搭建的车载试验测试平台,对所设计的软式拖曳捕获器自主对接控制系统进行地面车载试验测试,结合捕获器动力学建模分析,开展直接力位置阻尼与操纵控制模块仿真优化与多轮次车载试验参数整定,形成了适用于软式拖曳捕获器空中自主对接与捕获的控制系统,可用于下一步空基全尺寸软式拖曳捕获器自主对接与捕获试验。

巡检机器人自主充电对接控制方法

为保证轮臂复合式巡检机器人与太阳能充电基站充电座能准确和可靠自主充电对接,提出一种基于位置关系粗定位、视觉伺服精定位、以及压力传感器接合反馈的自主充电对接控制方法.通过感知机器人所处地线坡度信息,将安装在机器人压紧机构的充电插头运动至安装在悬垂C型挂板底端中心部位的充电座附近;根据图像空间充电座中心棱边与成像区域中心线距离来表征图像特征的变化,设计充电精定位伺服控制律,采用变论域模糊控制方法进行精确定位控制;依据贴合在正负电极片下压力应变片传感器信号变化反馈对接状态.模拟线路和实际线路的试验运行结果表明,该方法具有准确、可靠、效率高的特点,能够满足自主充电对接的任务要求.

非线性动态逆空中加油自主对接控制

为实现无人机空中加油自主对接控制,建立了尾流影响下的UAV六自由度模型。基于非线性动态逆,设计了空中加油自主对接控制律。在常规非线性动态逆控制律设计的基础上,改进了航迹、姿态、角速率和自动油门等回路。通过设计航迹跟踪控制律和动态逆自动油门,实现了对锥套位置的跟踪和对接;考虑协调转弯约束和爬升速率约束,在设计过程中以姿态角代替气流角,克服了气流角控制带来的幅值、速率过大的问题,使受油机的控制更加稳定。最后通过仿真,验证了动态逆自主对接控制律的有效性。

自主交会对接若干问题

自主交会对接是交会对接技术的发展趋势。本文首先介绍了国际上自主交会对接的研究概况 ,然后研究了假设目标航天器为刚体 ,运动在圆轨道或近圆轨道上 ,追踪航天器与目标航天器在近距离范围内实现自主交会对接的若干问题 ,即信息自主获取的测量技术 ,智能自主的控制技术和保证飞行状态及避免碰撞的人工智能技术。为实现自主交会对接 ,智能控制是非常重要的手段。

非合作目标自主交会对接的椭圆蔓叶线势函数制导

针对非合作式航天器自主交会对接任务的安全性要求,提出了一种基于椭圆蔓叶线的人工势函数制导方法。首先根据视线坐标系建立了相对动力学方程与状态方程。进而应用人工势函数制导方法解决了非合作目标航天器自主交会对接与静态障碍物躲避问题,并且把势函数方法与椭圆蔓叶线函数相结合,解决了追踪航天器在接近目标航天器时运行在安全走廊中的安全性要求。应用Lyapunov稳定性理论证明了在所提出的制导方法控制下系统的稳定性。最后,用精确的数学模型进行了计算机数值仿真,验证了所提出的制导控制方法的正确性和有效性。

非合作式自主交会对接的终端接近模糊控制

研究了非合作式自主交会对接(AR&D)的终端接近问题。文中根据视线相对运动方程,设计了一个模糊控制器来实现终端接近制导。通过选择合适的模糊输入变量,设计了三个通道独立的模糊规则库。用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模糊公式获得模糊控制器输出。最后,本文用精确的轨道模型进行了数值仿真,验证了该模糊控制器是可行的,该控制器满足非合作式自主交会对接终端接近的高精度、安全无碰撞的要求。

航天器自主交会对接的视觉相对导航方法

针对航天器自主交会对接在最终逼近阶段的相对导航问题,研究了基于特征光标的航天器视觉相对导航方法。首先建立了小角度假设条件下的相对导航模型。给出了航天器相对位置和采用欧拉角描述的相对姿态的近似解析算法。其次利用相对姿态的解析解作为观测信息,采用降阶的无迹卡尔曼滤波方法对目标航天器的姿态角和惯性角速度进行了估计,间接得到了相对姿态和相对姿态角速度的估计值。数值仿真表明提出的解析算法能够有效获得相对位置和相对姿态测量信息,通过降阶滤波可明显提高相对姿态确定精度。

非合作自主交会对接动态障碍物躲避模糊制导

提出了一种基于Gaussian势函数的模糊制导方法,完成了非合作式航天器自主交会对接及相关任务。首先根据视线坐标系建立了系统相对运动状态方程。进而应用模糊控制方法完成了非合作目标飞行器的自主交会对接任务,同时应用基于Gaussian势函数的模糊制导方法解决了动态障碍物的躲避问题。随后研究讨论了两种不同情形下动态障碍物的躲避。最后,用精确的数学模型进行了数值仿真,验证了制导方法应用于所研究问题的正确性和有效性。