考虑约束的高超声速飞行器制导与控制一体化设计

针对高超声速飞行器上升段飞行过程中强耦合、强非线性同时要求满足过程约束的特点,提出了一种结合级联控制方法和控制障碍函数的新型三维制导控制一体化算法。首先通过对速度子系统设计控制障碍函数约束算法来满足飞行器的过程约束要求,然后利用反步法、动态逆控制方法设计其余子系统的控制器,两者共同组成制导控制一体化控制器。考虑到飞行器在上升过程中容易遭遇阵风扰动的问题,设计非线性干扰观测器以增强算法的鲁棒性。最后通过李雅普诺夫函数证明了系统的稳定性,并且通过仿真验证了该新算法能够在满足高超声速飞行器上升段过程约束的同时,实现飞行器的三维跟踪控制。

非最小相位高超声速飞行器自适应鲁棒容错控制

针对具有非最小相位特性的高超声速飞行器纵向动力学模型,考虑舵面发生卡死和失效故障、系统参数不确定的问题,提出了一种基于输出重定义形式的自适应鲁棒容错控制方法。对于高度子系统中由于升降舵和升力耦合产生的不稳定内动态,重定义系统输出,将俯仰角作为系统新的输出,对新内动态进行一些坐标变换,设计出俯仰角期望的跟踪指令。对于系统重定义后的高度和速度子系统,将未知非线性函数参数化并写成未知气动参数和函数向量的乘积形式,采用自适应学习律估计未知气动参数和故障参数,基于Lyapunov稳定性定理进行了系统稳定性理论分析,通过仿真验证了所给方法的有效性。

基于视惯融合的无人飞行器导航数据仿真方法

无人飞行器在卫星信号拒止情况下难以获得较高的导航精度。为此,需要研究基于载体自身传感设备的自主导航定位方法。立足于飞行器平台的视觉惯性紧耦合算法架构VINS-Mono,提出并设计了一种视觉惯性数据仿真方法,针对匀速直线运动过程无法恢复视觉尺度的问题,进行了初始化运动轨迹补充。仿真研究结果表明,该方法补充的轨迹能够很好地对齐视觉与惯性信息并恢复尺度,实现导航参数的正确求解。在理想条件下,500m平飞范围内定位误差占比不超过真值的3.5%,可作为评估卫星拒止环境下无人飞行器视觉惯性组合导航性能的参考方案。

事件触发机制下的充液航天器姿态控制

针对液体大幅晃动、通信资源受限的充液航天器姿态控制系统,提出一种自适应滑模控制与事件触发机制相结合的控制策略。首先,针对固-液耦合的充液航天器姿态控制系统,选用滑模变结构控制来削弱液体大幅晃动的非线性影响,并设计自适应更新律在线估计不确定参数来提高系统的鲁棒性。然后,考虑星载计算机资源的限制,设计相对阈值的事件触发机制来决定控制输入信号的更新,从而减少控制器与执行器之间的信号更新对通信网络的占用。最后,仿真结果表明,在液体大幅晃动下,所提控制策略不但可以使航天器姿态控制系统最终收敛到任意小的界内,而且可以减少96%的控制信号传输,减轻航天器的通信负载。

空天飞行器直接力/气动力复合容错控制

考虑发生发动机推力损失故障的空天飞行器,针对直接力、气动力复合容错控制问题,设计一种基于自适应滑模的容错控制策略。首先,对于发生推力损失故障的摆动发动机,考虑X型安装的实际特点,对线性化后的俯仰通道控制模型进行故障等效,并采用自适应的方法对故障及干扰信息进行估计,综合利用舵面与发动机摆动角进行容错控制器设计。其次,考虑纵向容错控制对飞行器横侧向稳定性的影响,基于自适应反步的方法,利用方向舵与组合工作的左、右升降舵抵消干扰力矩的影响,保证横侧向的稳定。最后,基于李雅普诺夫稳定性理论,对所采用方法进行了分析,并通过仿真结果验证了所设计的复合容错控制方案的有效性。

融合明度特征的V-SAD立体匹配算法

针对SAD算法难以对图像中纯色与弱纹理部分进行准确匹配的问题,提出了将HSV空间明度特征与SAD算法相融合的立体匹配算法,称为V-SAD算法。首先将图像从RGB空间转化至HSV空间,并根据H、S、V值将像素点按照颜色分为10类,同时得到明度特征图。然后结合SAD算法需要的灰度特征图计算匹配代价,得到初步的视差图。接着,根据HSV空间的颜色信息对图像进行分割,结合数学形态法求解分割区块中的独立连通域。再利用边缘生长法对每一个连通域的视差进行恢复。最后,使用左右一致性检测方法对视差图进行优化。实验结果表明,利用图像的明度信息衡量纯色与弱纹理区域的匹配点的相似度是有效的,该V-SAD算法有效改善了SAD算法在弱纹理和纯色区域的匹配效果,平均误匹配率下降了13.02%。

混合小推力航天器轨道保持高性能滑模控制

针对采用太阳帆、太阳电混合小推力推进的航天器,研究了其在日心悬浮轨道的保持控制问题。为解决已有控制方法中未综合考虑内部未建模动态和外部未知扰动的问题,以及进一步提高系统控制性能,设计了一种高性能滑模控制策略。首先,考虑模型不确定性,建立了混合小推力航天器在日心悬浮轨道柱面坐标系的动力学方程;其次,基于改进型条件积分滑模面和径向基(RBF)神经网络设计了控制律,结合自适应方法在线估计不确定参数;接着,将求取的虚拟控制量在推进剂最优条件下转换成实际控制量,即太阳帆姿态角和太阳电推进力;最后,数值仿真验证了上述设计方法提高了系统鲁棒性,减小了轨道位置超调,并且混合推进相比于单一太阳帆推进,在更短收敛时间内控制精度提高了4个数量级,相比于单一太阳电推进,一年可以节省约89.6%的推进剂。

非充分光照下的单目合作目标提取算法

合作目标方案在辅助飞行器着陆、物资投递、工程量测中具有重要应用价值。为解决单目视觉定位任务中非充分光照条件下合作目标识别不准确、提取过程易丢失等问题,提出了结合改进自适应局部阈值二值化与形态学约束的轮廓提取方案。以图像明度通道值作为灰度化依据,提出使用自适应局部阈值的方法对像素点进行二值化处理,结合使用形态学约束条件筛除冗余轮廓与Douglas-Peucker算法拟合轮廓边缘,可在非充分光照条件下实现对合作目标的准确提取。实验结果表明,该算法在光照不足、光照不均条件下具有高达92.3%的标记召回率,单帧解算耗时不超过2×10^(-4)ms,兼顾了鲁棒性与实时性的使用需求。