导航、制导与控制
2022, 54(5):789-800.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.05.005
摘要:
网络系统是一类由多个子系统通过机械或通信相互耦合所构成的系统。该系统由于其结构复杂、耦合机制多变，具有较高发生故障的概率。随着近几年人工智能的快速发展，网络系统除了可能发生物理故障，还可能存在恶意决策，为系统的安全性带来了新的威胁。本文首先针对网络系统的物理故障，从容错控制和容错优化两个角度总结和梳理当前国内外相关的研究成果。接着，沿着容错博弈控制技术发展的脉络，从博弈控制到分别面向物理故障和恶意决策的容错博弈控制，总结了相关的研究成果。进一步，梳理了当前博弈论在集群飞行器中的应用现状，并以此抛砖引玉，希望推动容错博弈成果在航空航天领域中的应用。最后给出了几个未来值得探索的研究方向。
网络系统是一类由多个子系统通过机械或通信相互耦合所构成的系统。该系统由于其结构复杂、耦合机制多变，具有较高发生故障的概率。随着近几年人工智能的快速发展，网络系统除了可能发生物理故障，还可能存在恶意决策，为系统的安全性带来了新的威胁。本文首先针对网络系统的物理故障，从容错控制和容错优化两个角度总结和梳理当前国内外相关的研究成果。接着，沿着容错博弈控制技术发展的脉络，从博弈控制到分别面向物理故障和恶意决策的容错博弈控制，总结了相关的研究成果。进一步，梳理了当前博弈论在集群飞行器中的应用现状，并以此抛砖引玉，希望推动容错博弈成果在航空航天领域中的应用。最后给出了几个未来值得探索的研究方向。
2022, 54(5):958-968.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.05.020
摘要:
针对带有输入时滞和外部干扰的集群无人机系统，提出了一种基于强化学习的集群无人机事件触发分布式自适应最优控制方法。为了实现最优控制，引入了基于神经网络的强化学习算法，并设计了一种与系统控制性能有关的动态事件触发策略，该策略可以在尽可能降低对一致性控制性能不利影响的前提下，减少通信资源的浪费，同时该策略不存在Zeno行为。此外，在控制器设计过程中，引入了一种含有积分项的坐标变换来处理系统的输入时滞问题。在输入时滞和外部干扰的影响下，所提出的基于干扰观测器的最优分布式协同神经网络控制策略能够保证每个无人机系统所有信号都有界，并且每个无人机系统的输出能够实现一致性。最后，仿真结果验证了所提控制方法的有效性。
针对带有输入时滞和外部干扰的集群无人机系统，提出了一种基于强化学习的集群无人机事件触发分布式自适应最优控制方法。为了实现最优控制，引入了基于神经网络的强化学习算法，并设计了一种与系统控制性能有关的动态事件触发策略，该策略可以在尽可能降低对一致性控制性能不利影响的前提下，减少通信资源的浪费，同时该策略不存在Zeno行为。此外，在控制器设计过程中，引入了一种含有积分项的坐标变换来处理系统的输入时滞问题。在输入时滞和外部干扰的影响下，所提出的基于干扰观测器的最优分布式协同神经网络控制策略能够保证每个无人机系统所有信号都有界，并且每个无人机系统的输出能够实现一致性。最后，仿真结果验证了所提控制方法的有效性。
2022, 54(5):949-957.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.05.019
摘要:
本文提出了一种执行器故障的舰载机着舰容错控制系统，该系统可有效抑制着陆过程中的外界干扰和执行器故障带来的不利影响。首先，利用基于最小二乘的自回归模型对甲板运动进行预测，以获得在波浪干扰下的准确落点；其次，设计了下滑路径导引律，利用该导引律生成飞行航迹角；此外，设计了基于干扰观测器的快速终端积分滑模控制器，利用低通滤波器实现了控制器串联设计；最后，通过李雅普诺夫函数证明了该容错控制方法的跟踪误差一致有上界。将本文方法与比例-积分-微分控制器进行了对比数值仿真，验证了该算法的可行性。
本文提出了一种执行器故障的舰载机着舰容错控制系统，该系统可有效抑制着陆过程中的外界干扰和执行器故障带来的不利影响。首先，利用基于最小二乘的自回归模型对甲板运动进行预测，以获得在波浪干扰下的准确落点；其次，设计了下滑路径导引律，利用该导引律生成飞行航迹角；此外，设计了基于干扰观测器的快速终端积分滑模控制器，利用低通滤波器实现了控制器串联设计；最后，通过李雅普诺夫函数证明了该容错控制方法的跟踪误差一致有上界。将本文方法与比例-积分-微分控制器进行了对比数值仿真，验证了该算法的可行性。
2022, 54(6):995-1006.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.06.001
摘要:
变体飞行器在航空、航天和兵器等领域具有极为重要的应用前景。智能变形与飞行控制技术是包含众多学科和应用的综合性技术。首先归纳了变体飞行器的具体分类及特性，分析了变体飞行器的变形结构和智能材料发展状况，研究了变体飞行器的动力学建模与飞行控制技术，总结了变形技术在微小型飞行器、无人机、高超声速飞行器以及导弹等领域的应用现状，最后展望了全局高度仿生化和高速跨域化、结构与控制耦合影响机制、智能材料和变体结构驱动一体化等亟待突破的关键技术。
变体飞行器在航空、航天和兵器等领域具有极为重要的应用前景。智能变形与飞行控制技术是包含众多学科和应用的综合性技术。首先归纳了变体飞行器的具体分类及特性，分析了变体飞行器的变形结构和智能材料发展状况，研究了变体飞行器的动力学建模与飞行控制技术，总结了变形技术在微小型飞行器、无人机、高超声速飞行器以及导弹等领域的应用现状，最后展望了全局高度仿生化和高速跨域化、结构与控制耦合影响机制、智能材料和变体结构驱动一体化等亟待突破的关键技术。
2022, 54(1):1-16.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.001
摘要:
随着空间探索的不断深入，人类从认识空间环境逐渐转向开发和利用空间资源，空间机械臂因其运动范围广、操作能力强等特点被广泛应用于空间探索活动。复杂的太空环境以及繁重的空间操控任务对空间机械臂的自主性与智能性提出了越来越高的要求。本文在概述空间机械臂的发展现状及其关键技术的基础上，对空间机械臂智能规划与控制技术展开综述，重点阐述国内外学者在空间机械臂任务规划、运动规划以及运动控制等方面中取得的研究成果，进而展望了后续空间机械臂规划与控制的发展方向。
随着空间探索的不断深入，人类从认识空间环境逐渐转向开发和利用空间资源，空间机械臂因其运动范围广、操作能力强等特点被广泛应用于空间探索活动。复杂的太空环境以及繁重的空间操控任务对空间机械臂的自主性与智能性提出了越来越高的要求。本文在概述空间机械臂的发展现状及其关键技术的基础上，对空间机械臂智能规划与控制技术展开综述，重点阐述国内外学者在空间机械臂任务规划、运动规划以及运动控制等方面中取得的研究成果，进而展望了后续空间机械臂规划与控制的发展方向。
2022, 54(1):77-85.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.009
摘要:
针对无人机飞行过程中遇到威胁需要及时安全规避的问题，本文提出一种基于经验直觉的无人机机动规避决策算法。首先将无人机威胁安全规避机动过程中所获取的态势信息，按照规避机动区域进行结构化处理并标注相应的机动决策标签，建立基于数据的无人机情景决策知识库。其次，利用无人机情景决策知识库中的数据训练长短时记忆网络以实现情景与机动决策之间的正确映射。然后，根据人类基于直觉进行行动决策的原理，设计无人机基于经验直觉的机动规避算法。最后，通过仿真分析表明所提出无人机威胁规避算法的有效性。
针对无人机飞行过程中遇到威胁需要及时安全规避的问题，本文提出一种基于经验直觉的无人机机动规避决策算法。首先将无人机威胁安全规避机动过程中所获取的态势信息，按照规避机动区域进行结构化处理并标注相应的机动决策标签，建立基于数据的无人机情景决策知识库。其次，利用无人机情景决策知识库中的数据训练长短时记忆网络以实现情景与机动决策之间的正确映射。然后，根据人类基于直觉进行行动决策的原理，设计无人机基于经验直觉的机动规避算法。最后，通过仿真分析表明所提出无人机威胁规避算法的有效性。
2022, 54(1):51-57.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.006
摘要:
在进行在轨维修以及清除等任务时，需要确定航天器的姿态四元数和角速度。失效卫星常处于自由翻滚状态，通常带有柔性帆板，其运动规律相较于刚性帆板更为复杂。一方面，空间失效卫星的姿态确定常使用激光雷达、双目相机作为测量装备，其测量精度常受到光照、磁场等的影响，会对识别精度产生较大干扰。另一方面，柔性航天器的质量特性容易发生变化，导致很难对其动力学模型进行精确描述。针对柔性自由翻滚目标的状态难以获取的问题，本文提出基于无迹卡尔曼滤波的姿态估计方法，并采用神经网络补偿柔性航天器模型误差。仿真结果显示：无损卡尔曼滤波器（Unscented Kalman filter， UKF）算法对柔性航天器的姿态四元数预测误差值在10 - 3 ![]()
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在进行在轨维修以及清除等任务时，需要确定航天器的姿态四元数和角速度。失效卫星常处于自由翻滚状态，通常带有柔性帆板，其运动规律相较于刚性帆板更为复杂。一方面，空间失效卫星的姿态确定常使用激光雷达、双目相机作为测量装备，其测量精度常受到光照、磁场等的影响，会对识别精度产生较大干扰。另一方面，柔性航天器的质量特性容易发生变化，导致很难对其动力学模型进行精确描述。针对柔性自由翻滚目标的状态难以获取的问题，本文提出基于无迹卡尔曼滤波的姿态估计方法，并采用神经网络补偿柔性航天器模型误差。仿真结果显示：无损卡尔曼滤波器（Unscented Kalman filter， UKF）算法对柔性航天器的姿态四元数预测误差值在
2022, 54(1):58-67.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.007
摘要:
空间机械臂是在轨进行舱外巡检、航天员辅助出舱的关键活动机构，其在轨操作的运动过程需要在地面进行预先规划生成运动控制指令，再通过数字仿真与推演对运动控制指令进行验证，以确保机械臂操作全程的安全性和高效性。针对上述问题，本文主要从运动空间限制、运动速度限制和关节力矩限制等方面设计了地面仿真验证框架，提出了基于运动学与动力学建模、运动空间与碰撞关系分析的仿真验证策略，给出了关节运动、关节力矩和碰撞安全距离的计算方法以及超限检测与风险判断的准则，最后通过对关节超限检测、速度超限检测、力矩超限检测、碰撞检测与风险预估的仿真实验，证明了空间机械臂运动控制的地面仿真验证方法的有效性。
空间机械臂是在轨进行舱外巡检、航天员辅助出舱的关键活动机构，其在轨操作的运动过程需要在地面进行预先规划生成运动控制指令，再通过数字仿真与推演对运动控制指令进行验证，以确保机械臂操作全程的安全性和高效性。针对上述问题，本文主要从运动空间限制、运动速度限制和关节力矩限制等方面设计了地面仿真验证框架，提出了基于运动学与动力学建模、运动空间与碰撞关系分析的仿真验证策略，给出了关节运动、关节力矩和碰撞安全距离的计算方法以及超限检测与风险判断的准则，最后通过对关节超限检测、速度超限检测、力矩超限检测、碰撞检测与风险预估的仿真实验，证明了空间机械臂运动控制的地面仿真验证方法的有效性。
2022, 54(1):41-50.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.005
摘要:
针对机器人在动态复杂环境下的操作问题，研究机械臂跟踪运动目标及避障的运动控制方法。采用传统PID控制方法与DDPG强化学习算法相结合的方式，利用PID控制使得机械臂的工作平面快速接近目标物并与之重合，再使用DDPG算法让机械臂在平面内自主学习追踪目标物投影同时避开障碍物投影，最终在三维空间中实现跟踪与避障。该方法将机械臂作为一个智能体，智能体通过感知目标物和障碍物的距离偏差来自主学习避障跟踪策略。将本方法用于多自由度机械臂路径规划与避障任务中，对比单纯使用DDPG算法将机械臂作为智能体在空间中进行决策控制，仿真结果显示本文所提出的方法收敛效果和控制性能更好，机械臂能在训练后实现目标物的稳定跟踪和障碍物的躲避。
针对机器人在动态复杂环境下的操作问题，研究机械臂跟踪运动目标及避障的运动控制方法。采用传统PID控制方法与DDPG强化学习算法相结合的方式，利用PID控制使得机械臂的工作平面快速接近目标物并与之重合，再使用DDPG算法让机械臂在平面内自主学习追踪目标物投影同时避开障碍物投影，最终在三维空间中实现跟踪与避障。该方法将机械臂作为一个智能体，智能体通过感知目标物和障碍物的距离偏差来自主学习避障跟踪策略。将本方法用于多自由度机械臂路径规划与避障任务中，对比单纯使用DDPG算法将机械臂作为智能体在空间中进行决策控制，仿真结果显示本文所提出的方法收敛效果和控制性能更好，机械臂能在训练后实现目标物的稳定跟踪和障碍物的躲避。
2022, 54(1):27-33.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.003
摘要:
飞行机械臂要完成自主抓取的任务，对目标物的识别与定位尤为关键。当前飞行机械臂视觉识别算法多采用传统的特征提取等方法。为提升目标物识别及定位的精度和效率，本文设计了一种基于YOLOv5深度学习目标检测算法和RGB-D传感器的视觉识别与定位算法，该算法可以实时检测目标物并对其位姿进行估计，为飞行机械臂的抓取工作服务。同时针对深度学习算法计算量庞大，在嵌入式端无法实现高性能实时检测的问题，引入了模型量化技术优化算法，大幅提升算法推理速度。本文介绍了算法的整体框架及实现过程，利用COCO数据集和动作捕捉系统分别验证了目标检测和位姿估计部分算法的有效性。
飞行机械臂要完成自主抓取的任务，对目标物的识别与定位尤为关键。当前飞行机械臂视觉识别算法多采用传统的特征提取等方法。为提升目标物识别及定位的精度和效率，本文设计了一种基于YOLOv5深度学习目标检测算法和RGB-D传感器的视觉识别与定位算法，该算法可以实时检测目标物并对其位姿进行估计，为飞行机械臂的抓取工作服务。同时针对深度学习算法计算量庞大，在嵌入式端无法实现高性能实时检测的问题，引入了模型量化技术优化算法，大幅提升算法推理速度。本文介绍了算法的整体框架及实现过程，利用COCO数据集和动作捕捉系统分别验证了目标检测和位姿估计部分算法的有效性。
2022, 54(6):1145-1151.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.06.018
摘要:
针对在最少油耗、最快时间和最低成本等目标下的巡航阶段路径优化中，出现的边权重与前续路径的选择密切相关、估值函数计算开销过大等问题，首先构建了GRIB2格式网格气象数据插值、飞机性能参数快速计算流程，然后通过对A*算法估值函数系数和性能计算步长进行改进，提高每步优化时的计算效率；之后针对典型飞行任务，对不同优化目标下的结果进行对比，分析了成本指数、飞机起始质量和飞行高度层等因素的影响。将飞行性能计算融入边权重的A*算法相对于传统最短路算法会增加计算时间，但同样以飞行性能最优为目标的情况下，相较于Dijkstra算法它可以更迅速地找到优化路线。
针对在最少油耗、最快时间和最低成本等目标下的巡航阶段路径优化中，出现的边权重与前续路径的选择密切相关、估值函数计算开销过大等问题，首先构建了GRIB2格式网格气象数据插值、飞机性能参数快速计算流程，然后通过对A*算法估值函数系数和性能计算步长进行改进，提高每步优化时的计算效率；之后针对典型飞行任务，对不同优化目标下的结果进行对比，分析了成本指数、飞机起始质量和飞行高度层等因素的影响。将飞行性能计算融入边权重的A*算法相对于传统最短路算法会增加计算时间，但同样以飞行性能最优为目标的情况下，相较于Dijkstra算法它可以更迅速地找到优化路线。
2022, 54(6):1021-1029.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.06.003
摘要:
对于多先进战机协同作战资源调度问题，需综合考虑先进战机的攻击能力和防御能力，以作战收益最大和代价最小为目标，给出最优资源调度方案，从而实现作战效能的最大化。本文针对资源调度问题中存在的先进战机间相互不信任进而导致作战效能降低的问题，提出了基于区块链的多先进战机协同作战资源调度框架，并基于智能合约建立了多先进战机协同作战资源调度数学模型，同时利用改进遗传算法进行求解。仿真结果表明，基于区块链的多先进战机协同作战资源自适应调度方法在保证先进战机间相互完全信任的基础上，确保了战场信息交互的安全性和可靠性，间接提升了作战效能。
对于多先进战机协同作战资源调度问题，需综合考虑先进战机的攻击能力和防御能力，以作战收益最大和代价最小为目标，给出最优资源调度方案，从而实现作战效能的最大化。本文针对资源调度问题中存在的先进战机间相互不信任进而导致作战效能降低的问题，提出了基于区块链的多先进战机协同作战资源调度框架，并基于智能合约建立了多先进战机协同作战资源调度数学模型，同时利用改进遗传算法进行求解。仿真结果表明，基于区块链的多先进战机协同作战资源自适应调度方法在保证先进战机间相互完全信任的基础上，确保了战场信息交互的安全性和可靠性，间接提升了作战效能。
2022, 54(6):1007-1020.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.06.002
摘要:
当前视觉同时定位与建图（Simultaneous localization and mapping，SLAM）技术已经成为导航定位领域重要的导航方式之一。为提升视觉SLAM全天候多场景的综合性能，融合多种信息的视觉SLAM技术得到了快速发展。本文系统综述了近年国内外视觉SLAM的研究成果。首先归纳整理了视觉及视觉/惯性SLAM中的前端里程计、后端优化、回环检测和地图构建关键环节。在纯视觉SLAM技术分析方面，围绕传统基于几何变换和现代基于深度学习的两大类视觉SLAM方法开展讨论，并梳理了相关具有代表性的视觉SLAM技术。在详细阐述视觉/惯性组合导航的多信息融合SLAM方法基础上，分析了近年基于异源图像的视觉及其与惯性组合的SLAM导航技术进展。最后对视觉SLAM的未来发展方向进行了针对性展望。
当前视觉同时定位与建图（Simultaneous localization and mapping，SLAM）技术已经成为导航定位领域重要的导航方式之一。为提升视觉SLAM全天候多场景的综合性能，融合多种信息的视觉SLAM技术得到了快速发展。本文系统综述了近年国内外视觉SLAM的研究成果。首先归纳整理了视觉及视觉/惯性SLAM中的前端里程计、后端优化、回环检测和地图构建关键环节。在纯视觉SLAM技术分析方面，围绕传统基于几何变换和现代基于深度学习的两大类视觉SLAM方法开展讨论，并梳理了相关具有代表性的视觉SLAM技术。在详细阐述视觉/惯性组合导航的多信息融合SLAM方法基础上，分析了近年基于异源图像的视觉及其与惯性组合的SLAM导航技术进展。最后对视觉SLAM的未来发展方向进行了针对性展望。
2022, 54(6):1030-1039.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.06.004
摘要:
考虑地面目标参考信号短暂丢失与外部干扰等影响，研究无人直升机 （Unmanned aerial helicopter，UAH） 空地轨迹跟踪控制问题。首先，将短时丢失的参考轨迹进行分解， 并将其建模成平稳信号与非平稳信号两部分。然后，利用差分整合移动平均自回归 （Auto-regressive integrated moving average，ARIMA）模型预测平稳信号，并借助马尔可夫分析法对非平稳信号进行预测。其次，结合预测信息和跟踪误差信号，分别对UAH横纵向子系统和垂直子系统设计滑模控制器，以有效提升跟踪效率并减小外界干扰对跟踪性能的影响，并改进控制算法以减小由滑模导致的抖振现象。最后，利用仿真结果说明本文控制算法有效性与优越性.
考虑地面目标参考信号短暂丢失与外部干扰等影响，研究无人直升机 （Unmanned aerial helicopter，UAH） 空地轨迹跟踪控制问题。首先，将短时丢失的参考轨迹进行分解， 并将其建模成平稳信号与非平稳信号两部分。然后，利用差分整合移动平均自回归 （Auto-regressive integrated moving average，ARIMA）模型预测平稳信号，并借助马尔可夫分析法对非平稳信号进行预测。其次，结合预测信息和跟踪误差信号，分别对UAH横纵向子系统和垂直子系统设计滑模控制器，以有效提升跟踪效率并减小外界干扰对跟踪性能的影响，并改进控制算法以减小由滑模导致的抖振现象。最后，利用仿真结果说明本文控制算法有效性与优越性.
2022, 54(6):1056-1064.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.06.007
摘要:
针对共轴双旋翼无人机旋翼组件过于复杂，导致旋翼控制系统可靠性较低的问题，提出了一种依靠三轨变质心机构进行姿态控制的方案。推导了三轨变质心共轴双旋翼的运动模型和空气动力学模型，并分析了不同滑块所处位置和质量占比情况下变质心无人机动力学特性。建立变质心无人机姿态控制系统的状态方程，针对系统中的非线性和不确定性，设计了基于反步滑模控制的姿态控制器。仿真实验表明，所设计的控制器能够在含有外部扰动的工况下有效完成姿态跟踪任务，具备较好的抗干扰能力。
针对共轴双旋翼无人机旋翼组件过于复杂，导致旋翼控制系统可靠性较低的问题，提出了一种依靠三轨变质心机构进行姿态控制的方案。推导了三轨变质心共轴双旋翼的运动模型和空气动力学模型，并分析了不同滑块所处位置和质量占比情况下变质心无人机动力学特性。建立变质心无人机姿态控制系统的状态方程，针对系统中的非线性和不确定性，设计了基于反步滑模控制的姿态控制器。仿真实验表明，所设计的控制器能够在含有外部扰动的工况下有效完成姿态跟踪任务，具备较好的抗干扰能力。
2022, 54(6):1047-1055.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.06.006
摘要:
针对打击角度和打击时间约束制导问题，设计一种非奇异终端滑模寻的制导律。首先，将导弹视线角误差参考轨迹设计成含有一个未知参数的时间多项式以满足打击角度约束；而后，基于固定时间稳定设计一种终端滑模制导律使得跟踪误差收敛至零，同时利用在线优化方法确定未知参数的值以实现打击时间控制。所设计的制导方法不需要估计剩余飞行时间和预测碰撞点。数值仿真结果表明，该制导律能够保证导弹以期望打击角度和打击时间拦截匀速运动目标，具有良好的制导性能。
针对打击角度和打击时间约束制导问题，设计一种非奇异终端滑模寻的制导律。首先，将导弹视线角误差参考轨迹设计成含有一个未知参数的时间多项式以满足打击角度约束；而后，基于固定时间稳定设计一种终端滑模制导律使得跟踪误差收敛至零，同时利用在线优化方法确定未知参数的值以实现打击时间控制。所设计的制导方法不需要估计剩余飞行时间和预测碰撞点。数值仿真结果表明，该制导律能够保证导弹以期望打击角度和打击时间拦截匀速运动目标，具有良好的制导性能。
2022, 54(S):9-13.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.S.002
摘要:
空间引力波探测任务中，为保证作为惯性基准的检验质量不受扰动，航天器需采用高精度无拖曳控制技术，让卫星平台实时跟踪检验质量块。同时星间激光测距对航天器的指向也提出了较高要求。为满足空间引力波探测的需求，本文提出了一种基于非接触式卫星平台的无拖曳控制方法。该方法基于分舱式卫星平台设计，利用载荷舱与平台舱之间的磁浮机构替代传统无拖曳卫星中的微推进器来控制载荷舱，让载荷舱跟踪检验质量块，同时平台舱跟踪载荷舱，实现高精度的拖曳补偿和平台指向。仿真结果表明，非接触式卫星平台姿态指向精度为6×10-4 o，姿态指向稳定度为2×10-4 （°）/s，无拖曳补偿后检验质量上的残余扰动加速度水平约为10-15 m/（s2·Hz1/2）。
空间引力波探测任务中，为保证作为惯性基准的检验质量不受扰动，航天器需采用高精度无拖曳控制技术，让卫星平台实时跟踪检验质量块。同时星间激光测距对航天器的指向也提出了较高要求。为满足空间引力波探测的需求，本文提出了一种基于非接触式卫星平台的无拖曳控制方法。该方法基于分舱式卫星平台设计，利用载荷舱与平台舱之间的磁浮机构替代传统无拖曳卫星中的微推进器来控制载荷舱，让载荷舱跟踪检验质量块，同时平台舱跟踪载荷舱，实现高精度的拖曳补偿和平台指向。仿真结果表明，非接触式卫星平台姿态指向精度为6×10-4 o，姿态指向稳定度为2×10-4 （°）/s，无拖曳补偿后检验质量上的残余扰动加速度水平约为10-15 m/（s2·Hz1/2）。
2022, 54(1):172-178.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.020
摘要:
针对一类离散的非线性分布参数系统，提出了一种批次长度随机变化的迭代学习控制问题。该类系统由抛物型偏微分方程构成。该方法采用伯努利型随机变量来描述迭代长度随机变化的情况，并根据分布参数系统的性质以及P型分布更新控制算法设计了迭代学习控制器。基于压缩映射原理，给出了系统输出误差收敛的充分必要条件并加以证明。结果表明，所提出的控制方法在λ范数意义下跟踪误差是收敛，且相对经典迭代学习算法，所提控制算法的收敛速度更快。最后，通过数值仿真验证了所提算法的有效性。
针对一类离散的非线性分布参数系统，提出了一种批次长度随机变化的迭代学习控制问题。该类系统由抛物型偏微分方程构成。该方法采用伯努利型随机变量来描述迭代长度随机变化的情况，并根据分布参数系统的性质以及P型分布更新控制算法设计了迭代学习控制器。基于压缩映射原理，给出了系统输出误差收敛的充分必要条件并加以证明。结果表明，所提出的控制方法在λ范数意义下跟踪误差是收敛，且相对经典迭代学习算法，所提控制算法的收敛速度更快。最后，通过数值仿真验证了所提算法的有效性。
2023, 55(6):941-955.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.06.001
摘要:
随着人类航天活动的增加，空间任务正朝着需要满足多重约束和高性能的方向发展。模型预测控制（Model predictive control， MPC）得益于其在处理约束优化问题上的能力，近年来已在航天器控制中得到了广泛研究。本文首先回顾了MPC的发展历程，并基于该方法的基本形式，对其在航天器中的应用做了分类研究。然后，针对空间环境中的不确定性，依次总结鲁棒和随机两种MPC方法以及它们在航天器上的应用情况。在此基础上，考虑到航天器的安全性问题，总结现有研究中关于避障和容错的预测控制方法。针对MPC方法计算量大的缺陷，本文也从控制器的求解策略和求解方式出发，梳理了具有高计算效率的模型预测控制方法，包括分散式/分布式方法以及显式方法。最后，根据航天器的当前实际需求和未来发展，为MPC方法在航天器控制中的进一步研究提出了几点建议。
随着人类航天活动的增加，空间任务正朝着需要满足多重约束和高性能的方向发展。模型预测控制（Model predictive control， MPC）得益于其在处理约束优化问题上的能力，近年来已在航天器控制中得到了广泛研究。本文首先回顾了MPC的发展历程，并基于该方法的基本形式，对其在航天器中的应用做了分类研究。然后，针对空间环境中的不确定性，依次总结鲁棒和随机两种MPC方法以及它们在航天器上的应用情况。在此基础上，考虑到航天器的安全性问题，总结现有研究中关于避障和容错的预测控制方法。针对MPC方法计算量大的缺陷，本文也从控制器的求解策略和求解方式出发，梳理了具有高计算效率的模型预测控制方法，包括分散式/分布式方法以及显式方法。最后，根据航天器的当前实际需求和未来发展，为MPC方法在航天器控制中的进一步研究提出了几点建议。
2023, 55(5):888-897.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.05.015
摘要:
无轴承永磁同步电机（Bearingless permanent magnet synchronous motor， BPMSM）凭借无接触、无磨损的优异性能在工业生产中获得广泛应用，对旋转和悬浮的精确控制是保证其稳定运行的关键，需实时获取高精度的转子位置信息以实现切向力矩和径向悬浮力的解耦。为保证位置传感器故障情况下BPMSM稳定运行，文中提出一种基于正负序量分离的BPMSM传感器容错控制方案。首先，结合BPMSM数学模型，分析传感器故障对电机转矩和悬浮系统的影响。在此基础上，提出一种基于过零点检测的故障诊断函数，实时监测传感器信号故障。其次，引入旋转坐标系分析传感器信号中正序分量和负序分量的特征，分离出正序分量并提取其中的转子位置信息，构建位置检测容错系统完成故障信号到容错策略的切换，实现BPMSM在传感器故障情况下的稳定运行。最后，基于一台BPMSM实验样机对所提方案的有效性进行了充分的仿真与实验验证。
无轴承永磁同步电机（Bearingless permanent magnet synchronous motor， BPMSM）凭借无接触、无磨损的优异性能在工业生产中获得广泛应用，对旋转和悬浮的精确控制是保证其稳定运行的关键，需实时获取高精度的转子位置信息以实现切向力矩和径向悬浮力的解耦。为保证位置传感器故障情况下BPMSM稳定运行，文中提出一种基于正负序量分离的BPMSM传感器容错控制方案。首先，结合BPMSM数学模型，分析传感器故障对电机转矩和悬浮系统的影响。在此基础上，提出一种基于过零点检测的故障诊断函数，实时监测传感器信号故障。其次，引入旋转坐标系分析传感器信号中正序分量和负序分量的特征，分离出正序分量并提取其中的转子位置信息，构建位置检测容错系统完成故障信号到容错策略的切换，实现BPMSM在传感器故障情况下的稳定运行。最后，基于一台BPMSM实验样机对所提方案的有效性进行了充分的仿真与实验验证。
2023, 55(6):977-987.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.06.004
摘要:
针对外部干扰影响下无人直升机 （Unmanned aerial helicopter， UAH） 模型参考跟踪控制问题开展研究，提出基于自适应干扰观测器的跟踪控制设计方案。首先，根据干扰部分可测特性将其建模为存在参数误差下的非线性外源系统，并设计了状态观测器及其自适应调节下的干扰观测器 （Disturbance observer， DO），用于估计无人机系统的未知状态和外部干扰。其次，将模型参考控制与基于干扰观测器的控制方法相结合，提出抗干扰复合控制设计策略，获得了由观测与跟踪误差动态组成的闭环系统。再次，利用Lyapunov稳定性理论建立了给定H∞性能下判定闭环系统渐近稳定的充分性条件，并借助矩阵变换技术获得了观测器和控制器的联合设计方案。最后，通过数值仿真验证了所提跟踪控制算法的有效性和优越性。
针对外部干扰影响下无人直升机 （Unmanned aerial helicopter， UAH） 模型参考跟踪控制问题开展研究，提出基于自适应干扰观测器的跟踪控制设计方案。首先，根据干扰部分可测特性将其建模为存在参数误差下的非线性外源系统，并设计了状态观测器及其自适应调节下的干扰观测器 （Disturbance observer， DO），用于估计无人机系统的未知状态和外部干扰。其次，将模型参考控制与基于干扰观测器的控制方法相结合，提出抗干扰复合控制设计策略，获得了由观测与跟踪误差动态组成的闭环系统。再次，利用Lyapunov稳定性理论建立了给定H∞性能下判定闭环系统渐近稳定的充分性条件，并借助矩阵变换技术获得了观测器和控制器的联合设计方案。最后，通过数值仿真验证了所提跟踪控制算法的有效性和优越性。
2023, 55(1):89-99.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.01.011
摘要:
针对固定翼无人机纵向轨迹跟踪控制问题，基于反馈线性化和模型跟随控制设计基础控制器，实现无故障情况下闭环系统的稳定和轨迹渐近跟踪控制。考虑固定翼无人机的执行器可能发生不同类型及大小的故障，分别针对各种不同故障模式设计与之对应的补偿控制器。为综合解决执行器故障的多重不确定性问题，采用加权融合与自适应控制相结合的方式设计综合控制器结构，并对与故障相关的控制器参数进行估计。最后，通过在基础控制器设计中添加H ∞ ![]()
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针对固定翼无人机纵向轨迹跟踪控制问题，基于反馈线性化和模型跟随控制设计基础控制器，实现无故障情况下闭环系统的稳定和轨迹渐近跟踪控制。考虑固定翼无人机的执行器可能发生不同类型及大小的故障，分别针对各种不同故障模式设计与之对应的补偿控制器。为综合解决执行器故障的多重不确定性问题，采用加权融合与自适应控制相结合的方式设计综合控制器结构，并对与故障相关的控制器参数进行估计。最后，通过在基础控制器设计中添加
2023, 55(6):966-976.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.06.003
摘要:
为了使交叉双旋翼无人直升机在全球定位系统（Global positioning system， GPS）信号不稳定的情况下实现对目标的视觉跟踪，设计了一种交叉双旋翼无人直升机视觉跟踪控制系统。首先，设计了一种视觉模块，对跟踪目标进行图像处理，利用基于方向性快速的特征点检测和旋转BRIEF（Oriented FAST and rotated BRIEF， ORB）描述子特征匹配和矩形检测，获取跟踪目标的中心点像素坐标，通过相机模型和旋转矩阵解算出跟踪目标的中心点实际位置。然后，设计了一种跟踪控制模块，采用串级比例积分微分（Proportional-integral-derivative，PID）加前馈的控制结构，为了限制极限位置和最大加速度，位置控制中采用平方根控制器，姿态控制中设计了一种交叉双旋翼姿态控制机构。之后，通过飞控地面站搭建仿真环境，对添加视觉模块的飞行控制系统进行仿真验证，结果表明，无人直升机可以很好地跟踪到视觉模块输出的期望位置。最后，进行实验验证，在设定最大飞行速度为1 m/s的条件下，姿态角最大为8°左右，位置与期望位置之间的误差最大为0.08 m，可以实现交叉双旋翼无人直升机对目标的视觉跟踪。
为了使交叉双旋翼无人直升机在全球定位系统（Global positioning system， GPS）信号不稳定的情况下实现对目标的视觉跟踪，设计了一种交叉双旋翼无人直升机视觉跟踪控制系统。首先，设计了一种视觉模块，对跟踪目标进行图像处理，利用基于方向性快速的特征点检测和旋转BRIEF（Oriented FAST and rotated BRIEF， ORB）描述子特征匹配和矩形检测，获取跟踪目标的中心点像素坐标，通过相机模型和旋转矩阵解算出跟踪目标的中心点实际位置。然后，设计了一种跟踪控制模块，采用串级比例积分微分（Proportional-integral-derivative，PID）加前馈的控制结构，为了限制极限位置和最大加速度，位置控制中采用平方根控制器，姿态控制中设计了一种交叉双旋翼姿态控制机构。之后，通过飞控地面站搭建仿真环境，对添加视觉模块的飞行控制系统进行仿真验证，结果表明，无人直升机可以很好地跟踪到视觉模块输出的期望位置。最后，进行实验验证，在设定最大飞行速度为1 m/s的条件下，姿态角最大为8°左右，位置与期望位置之间的误差最大为0.08 m，可以实现交叉双旋翼无人直升机对目标的视觉跟踪。
2023, 55(4):686-692.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.014
摘要:
以超稳定车载隔振平台为依托，建立环绕式侧向弹性支撑构成的准零刚度系统，研究该系统的非线性动力学特性和振动主动调节方法，以获得优异的振动隔离效果。根据系统总体刚度和位移关系确定系统结构参数，采用谐波平衡法求解获得系统动力学响应规律和非线性幅频响应函数。进一步对系统的非线性分岔特性进行主动控制方法研究，获得准零刚度系统的分岔控制方法，通过选取适当的控制参数消除系统分岔。仿真结果表明：分岔控制方法在合适的控制参数下能有效消除分岔以及达到振动抑制的效果。
以超稳定车载隔振平台为依托，建立环绕式侧向弹性支撑构成的准零刚度系统，研究该系统的非线性动力学特性和振动主动调节方法，以获得优异的振动隔离效果。根据系统总体刚度和位移关系确定系统结构参数，采用谐波平衡法求解获得系统动力学响应规律和非线性幅频响应函数。进一步对系统的非线性分岔特性进行主动控制方法研究，获得准零刚度系统的分岔控制方法，通过选取适当的控制参数消除系统分岔。仿真结果表明：分岔控制方法在合适的控制参数下能有效消除分岔以及达到振动抑制的效果。
2023, 55(5):851-858.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.05.011
摘要:
针对基本蝴蝶优化算法（Butterfly optimization algorithm，BOA）在进行无人机（Unmanned aerial vehicle， UAV）三维航迹规划时存在的搜索速度慢、搜索精度低以及易陷入局部最优等问题，提出一种改进的蝴蝶优化算法（Improved butterfly optimization algorithm，IBOA）。在全局搜索阶段提出对数自适应惯性权重策略和动态更新调节策略，提高了算法全局搜索能力和搜索精度。同时，在局部搜索阶段，提出一种动态概率余弦选择策略，增加位置更新多样性，避免陷入局部最优。首先，为检验改进算法与基本算法的寻优性能，在部分标准多元函数上进行仿真对比。对比结果表明，改进算法对复杂函数具有较强的寻优能力，能在更短时间内找到全局最优解。然后，在二维路径规划仿真中对比了改进算法与PSO算法性能，从对比结果看，IBOA具有更优的规划效果。接着，利用山峰模拟函数对UAV三维航迹规划进行建模，将改进算法应用到航迹规划中，利用MATLAB仿真对比了不同复杂度环境下的航迹规划效果。仿真实验表明：相同实验条件下，该优化算法较BOA综合适应度值减小21.9%，具有搜索速度快、搜索精度高等优点，能够有效地指导UAV在三维环境中完成自主导航避障任务。
针对基本蝴蝶优化算法（Butterfly optimization algorithm，BOA）在进行无人机（Unmanned aerial vehicle， UAV）三维航迹规划时存在的搜索速度慢、搜索精度低以及易陷入局部最优等问题，提出一种改进的蝴蝶优化算法（Improved butterfly optimization algorithm，IBOA）。在全局搜索阶段提出对数自适应惯性权重策略和动态更新调节策略，提高了算法全局搜索能力和搜索精度。同时，在局部搜索阶段，提出一种动态概率余弦选择策略，增加位置更新多样性，避免陷入局部最优。首先，为检验改进算法与基本算法的寻优性能，在部分标准多元函数上进行仿真对比。对比结果表明，改进算法对复杂函数具有较强的寻优能力，能在更短时间内找到全局最优解。然后，在二维路径规划仿真中对比了改进算法与PSO算法性能，从对比结果看，IBOA具有更优的规划效果。接着，利用山峰模拟函数对UAV三维航迹规划进行建模，将改进算法应用到航迹规划中，利用MATLAB仿真对比了不同复杂度环境下的航迹规划效果。仿真实验表明：相同实验条件下，该优化算法较BOA综合适应度值减小21.9%，具有搜索速度快、搜索精度高等优点，能够有效地指导UAV在三维环境中完成自主导航避障任务。