红外与激光工程
2024, 53(1): 20230436
1 天津工业大学 机械工程学院,天津300387
2 北京清航紫荆装备科技有限公司,北京10101
3 清华大学 航天航空学院,北京100084
4 内蒙古工业大学 航空学院,呼和浩特010051
为了使交叉双旋翼无人直升机在全球定位系统(Global Positioning System,GPS)信号干扰的情况下实现平稳的自主降落,采用AprilTags视觉基准系统中的TAG36H11图像作为降落地标,并基于该降落地标设计了一种视觉辅助的交叉双旋翼无人直升机自主降落控制系统。对降落地标进行图像预处理,基于Canny边缘检测、Hough变换直线检测和矩形检测,提取降落地标的特征信息,然后通过相机成像原理和坐标系转换解算出无人直升机的相对位姿信息,针对GPS信号干扰的情况下提出了一种利用Hough变换直线检测解算偏航角的算法,最后设计了一种串级PID控制结构的位姿控制算法,位置控制中设计了一种开方控制器,用于限制无人直升机的极限期望位置和最大加速度。同时,在姿态控制中设计了一种交叉双旋翼无人直升机姿态控制机构,通过6个数字舵机控制倾斜盘的倾角实现交叉双旋翼的周期变距,改变无人直升机的飞行姿态。通过Mission Planner飞控地面站进行仿真验证,将视觉处理系统与飞行控制系统组合,仿真结果表明,视觉辅助的飞行控制系统可以很好地跟踪无人直升机的期望位置。经过实验验证,姿态角度偏移量控制在4°以内,位置偏移量控制在0.05 m以内,可以实现交叉双旋翼无人直升机视觉辅助的自主降落。
视觉辅助 无人直升机 交叉双旋翼 自主降落 位置控制 姿态控制 visual aid intermeshing-rotor unmanned helicopter autonomous landing position control attitude control 光学 精密工程
2023, 31(23): 3517
针对旋翼无人机视觉伺服中相机视场范围过小等问题, 提出一种基于云台相机的视觉伺服控制方法, 实现了旋翼无人机在经典视觉伺服视场外位置的定点悬停控制。首先建立了云台相机的图像特征运动学模型, 设计了基于云台相机的旋翼无人机视觉伺服控制方法, 并将模糊PID算法融入云台控制, 旨在提高响应速度。分别进行了近目标点和中远目标点的旋翼无人机视觉伺服定点悬停仿真。仿真结果表明, 所提方法大幅扩大了旋翼无人机视觉伺服控制的视野范围, 扩展了无人机视觉伺服的应用场景。
视觉伺服 云台相机 旋翼无人机 视场约束 visual servo pan tilt camera rotor UAV FOV constraint
沈阳工业大学机械工程学院,辽宁 沈阳 110870
针对双头螺杆廓形参数难以实现高精度、高效率检测的问题,以四轴旋风铣床为载体,设计并实现了一种基于激光三角位移传感器(LTDS)的在机测量系统。为了提高系统的测量精度,基于变结构元广义形态学方法、多项式插值算法及椭圆拟合法,实现了含噪光斑图像质心的微米级提取,并进行了实验验证。为了避免最小二乘分段拟合方法在断点处不满足函数连续性和可导性的缺陷,提出了基于拉格朗日乘数法的点云信号光顺处理算法。最后根据信号重构结果实时计算廓形参数,判断加工质量。实验结果表明,设计的在机测量系统可在39.7 s内完成一个螺距的螺杆廓形参数检测,测量精度为±9 μm,其中长轴、短轴、螺距的测量不确定度分别为0.72、0.69、1.65 μm,显著提高了测量精度和效率。
测量 螺杆转子 激光位移传感器 信号处理 中国激光
2023, 50(14): 1404002
针对四旋翼无人机在输入受限情况下的姿态跟踪控制问题, 提出了一种参数化控制方法。首先建立了四旋翼姿态误差二阶全驱模型, 采用一种参数化控制器, 使姿态误差系统等价于一阶定常闭环系统, 从而实现姿态角收敛至跟踪信号。考虑四旋翼输入受限及更好的跟踪性能, 采用智能优化的方法, 利用粒子群算法优化控制律中的参数矩阵。仿真实验表明: 与反步法相比, 提出的参数化控制器能够在输入受限情况下更快速地跟踪姿态指令, 具有更好的暂态性能, 实现了四旋翼高精度姿态跟踪控制。
四旋翼无人机 输入受限 参数化控制 quad-rotor UAV input constraints parametric control
1 郑州西亚斯学院电子信息工程学院, 郑州 451000
2 郑州大学信息工程学院, 郑州 450000
针对共轴多旋翼无人机中容易出现电机故障和复合干扰的问题, 采用自适应神经网络观测器设计了容错控制算法。首先,建立了包含电机故障和复合干扰的共轴八旋翼无人机运动模型;然后,通过神经网络来逼近复合干扰, 并利用自适应律估计故障因子, 设计了自适应神经网络观测器对系统状态进行估计;最后,针对姿态角回路和角速度回路设计了反步容错控制律, 并利用滤波器对虚拟指令信号进行滤波, 抑制了微分爆炸现象, 实现了共轴八旋翼UAV的渐近稳定。实验结果表明: 所提方法与自适应容错控制方法相比表现出了更优的稳定性和准确性, 最大跟踪误差仅为0.1°, 有效补偿了复合干扰和旋翼电机故障的影响, 提升了无人机的飞行稳定性和容错性能。
共轴八旋翼无人机 电机故障 复合干扰 自适应神经网络观测器 容错控制 coaxial eight-rotor UAV motor fault composite disturbance adaptive neural network observer fault-tolerant control
PID控制器在四旋翼飞行控制系统中比较常见,其核心问题之一就是PID参数的整定。常见的调参方法有模糊控制、神经网络及手动调参。针对四旋翼飞行器的PID控制器参数整定困难,提出一种基于混沌粒子群算法的PID参数整定方法: 首先,利用粒子群算法的收敛速度较快及混沌序列的遍历性、随机性以及对初值的敏感性等特性,使得调节PID参数更加快速和准确; 然后,结合自适应惯性权重法,平衡粒子群算法的全局搜索能力和局部搜索能力,在每次迭代过程中,粒子都可以根据各自情况在搜索空间的每个维度上选择合适的惯性权重。仿真实验结果表明,所提混沌粒子群优化算法能够快速、准确地求解所需参数,验证了所提算法的有效性。
四旋翼无人机 粒子群算法 参数整定 混沌序列 quad-rotor aircraft Particle Swarm Optimization (PSO) parameter tuning chaotic sequence
1 河海大学机电工程学院,江苏 常州 213022
2 河海大学江苏省特种机器人技术重点实验室,江苏 常州 213022
3 南京航空航天大学机电学院,江苏 南京 210016
4 常州常工电子科技股份有限公司,江苏 常州 213001
针对脉冲激光周向探测系统在高速转动条件下转轴形变影响探测性能的问题,通过建立高速转轴的力学模型,推导出转轴弯曲变形的理论公式;结合平面扩展目标的回波功率方程,建立了转轴偏移下目标探测成像模型。通过仿真分析转轴形变对回波信号幅值电压和成像位置的影响,结果表明:当电机转速达到40000 r/min时,转轴在全反平面镜处角位移达到0.013 rad,沿Y轴的形变达到0.88 mm;回波信号幅值电压随着转速的增大而逐渐减小;空间成像点在40000 r/min时有0.004 m的位置抖动。
激光技术 周向探测 转子振动 扫描成像 测距精度 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0712001