红外与激光工程
2024, 53(1): 20230436
在复杂环境中执行任务已经成为旋翼无人机发展的必然趋势。为了让旋翼无人机在复杂环境中高效、安全地执行任务, 学者们对旋翼无人机的双目视觉避障技术展开了广泛的研究。为了解旋翼无人机的双目视觉自主避障技术的现状及发展趋势, 首先,介绍了双目视觉避障系统的构成, 分析各技术在双目视觉避障系统中的作用; 然后, 重点介绍双目视觉避障技术中常用的相机标定方法、立体匹配算法和避障算法, 总结了各自的优缺点, 并阐述最新发展; 最后, 对双目视觉避障技术的发展方向进行了展望。
旋翼无人机 相机标定方法 立体匹配算法 避障算法 综述 rotorcraft UAV camera calibration method stereo matching algorithm obstacle avoidance algorithm review
1 南京信息工程大学自动化学院, 南京 210000
2 南京信息工程大学自动化学院, 南京 210000 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210000
针对存在外界干扰的四旋翼无人机轨迹跟踪问题, 提出了一种分数阶Super-Twisting滑模控制器。基于双闭环控制策略, 将四旋翼无人机系统解耦为位置子系统和姿态子系统; 利用Super-Twisting算法设计出滑模控制器, 可在消除系统抖振的同时实现全局有限时间收敛; 为了进一步提高系统的控制精度和抗干扰性, 引入了分数阶微分积分算子; 最后, 与传统Super-Twisting滑模和积分终端滑模进行的仿真对比,验证了所提算法的优越性。
四旋翼无人机 分数阶滑模 轨迹跟踪 quadrotor UAV fractional-order sliding mode Super-Twisting Super-Twisting trajectory tracking
1 湖南省飞机维修工程技术研究中心, 长沙 410000
2 长沙航空职业技术学院, 长沙 410000
针对四旋翼无人机吊挂飞行系统存在模型偏差及外界干扰带来的位置跟踪和减摆控制难的问题, 提出了一种基于补偿函数观测器的非线性控制方法。首先, 建立了四旋翼无人机吊挂飞行系统动力学模型, 并设计了补偿函数观测器对未建模动态和未知扰动进行观测; 然后, 针对系统参考输入跟踪误差约束, 构建了障碍Lyapunov函数来设计反步控制器, 并在控制器中引入补偿函数观测器的估计值对系统总扰动进行补偿, 保证了无人机位置误差和负载摆角在约束范围内变化, 使系统能够达到预期控制效果。Lyapunov稳定性分析证明了闭环系统的稳定性、位置误差的收敛和摆动的抑制。仿真结果表明, 设计的控制器在对无人机位置精确控制的同时, 能有效抑制吊挂负载的摆动。
四旋翼无人机 吊挂飞行系统 补偿函数观测器 障碍Lyapunov函数 反步控制器 减摆控制 quadrotor UAV slung-load flight system compensation function observer barrier Lyapunov function backstepping controller anti-swing control
针对倾转四旋翼无人机旋翼模式和短舱角变化后的飞行模式的轨迹跟踪问题, 提出一种双滑模控制方法。首先, 将倾转四旋翼无人机的动力学系统视为全驱动子系统和欠驱动子系统的组合;其次, 结合扩张状态观测器(ESO)对两个子系统分别设计控制律, 其中, 针对欠驱动子系统, 引入复合滑模面, 采用Hurwitz稳定性求解滑模面系数; 然后, 依据Lyapunov稳定性理论, 所有子系统均能达到滑模面; 最后, 通过对比仿真实验验证了所提方法的有效性。
倾转四旋翼无人机 双滑模控制 Lyapunov稳定性理论 tilted quadrotor UAV double sliding mode control Lyapunov stability theory
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
大连理工大学机械工程学院, 辽宁 大连 116000
研究了四旋翼无人机执行器故障和外部干扰下的高度和姿态容错控制问题。首先, 将执行器故障建模为螺旋桨推力定常效率损失(LoE), 得到包含执行器故障的四旋翼无人机高度和姿态动力学模型; 然后, 基于积分终端滑模控制(ITSMC)设计了一种容错控制器, 并结合自适应律对干扰进行估计和补偿, 借助Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性;最后, 数值仿真结果验证了所提出容错控制方案的有效性和鲁棒性。
四旋翼无人机 执行器故障 积分终端滑模 容错控制 quadrotor UAV actuator fault integral terminal sliding mode fault-tolerant control
天津工业大学天津市电气装备智能控制重点实验室, 天津 300000
针对多无人机受模型偏差和外部扰动导致的编队构型不稳定问题, 提出一种模型补偿控制的思想, 在此基础上设计基于补偿函数观测器(CFO)的模型补偿反步控制器并应用于编队协同控制, 把编队协同控制问题转化为传统控制问题, 实现多无人机在复杂外部扰动下的编队集合、飞行和队形切换。所提出的控制器不仅保留了基于Lyapunov准则的全局指数渐近稳定性, 还采用CFO来准确估计模型偏差和干扰并补偿到控制器中, 有效增强了编队系统整体的抗扰能力。最后通过仿真和实验验证了算法的有效性。
四旋翼无人机 模型补偿反步控制 补偿函数观测器 编队抗干扰控制 虚拟结构法 quadrotor UAV model-compensation backstepping control Compensation Function Observer (CFO) formation anti-disturbance control virtual structure method
针对四旋翼编队队形保持控制中常用简化自驾仪来代替内回路并未能贴合现实模型的问题, 以及常受扰动和控制器调参数困难从而引起控制精度下降的现象, 提出一种基于RBF与BP神经网络的滑模编队控制器。首先采用Leader-Follower思想对四旋翼编队问题进行建模, 并基于RBF神经网络逼近不确定项与干扰项来设计内回路轨迹跟踪控制器。在此基础上根据机间通信关系设计编队保持控制器并结合BP神经网络对控制器参数进行整定, 最后利用Lyapunov方法证明其稳定性。仿真结果表明, 所提控制器具有良好的抗干扰能力, 并且能有效提高队形保持精度, 使编队保持稳定期望队形。
四旋翼 编队控制 神经网络 滑模控制 quadrotor formation control neural network sliding mode control
