无人三体船试验平台的设计与实现

三体船特殊的构型使其非常适合用作水面无人平台(USV)的实验载体,本文介绍了一种自制的三体船型水面无人实验平台的系统设计、控制系统硬件以及实验结果,为以后开展三体船水动力建模、鲁棒控制方法的研究以及水面无人平台的开发提供依据。同时采用基于backstepping的控制方法对三体船进行了实验验证,实验结果表明控制方法的有效性以及平台的可靠性。

基于LMI全方位移动机器人H_∞鲁棒控制

针对机器人控制领域中一类多输入多输出(MIMO)高阶线性时不变系统,根据模型自身的结构特点,给出了基于线性矩阵不等式(LMI)的通过局部反馈H∞控制实现整个系统对不确定扰动具有鲁棒性的充分条件及相关推论,并在此基础上提出了一种解决该类型系统H∞控制问题的新算法。通过对一完整约束移动机器人系统的局部输出反馈H∞控制仿真,说明了此算法具有良好的控制效果和实用性。

具有自适应机制的鲁棒控制方法研究

近年来，复杂机电系统，特别是移动机器人、地面/水面/水下空中以及空间无人平台等，对高性能控制系统提出了迫切的需求。对控制系统的设计而言，这类系统的共性特点可以归纳为两方面：动力学复杂，包括非线性、交叉耦合、时变参数等；工作在动态环境中，存在大量未建模的时变扰动与不确定性。目前，由于非线性系统控制规律设计的理论和方法还不成熟，现在一般的做法是将非线性动力学模型在某些特定的状态下线性化，然后基于线性化模型利用线性控制理论设计控制器。但是，由于复杂机电系统动力学的复杂性会导致各种不确定性的出现；而且，扰动、传感器噪声、执行器饱和、各种摩擦和时滞等等都有可能使闭环系统的性能降低、甚至偏离稳定域，因此控制策略必须要具有一定的鲁棒性能。如何增强控制策略面对模型不确定性及时变扰动时的鲁棒性与自适应性，是当前控制领域研究的核心问题之一。 由于固定增益鲁棒控制方法具有固有的保守性，如何降低其保守性是设计鲁棒控制器需要考虑的重要问题。另一方面，自适应理论也是一种已有的具有长足发展的控制策略，应对参数不确定性是其典型应用。然而，即便是在理想情况下，一个稳定的自适应控制器也不能保证系统良好的瞬态特性。本论文提出将鲁棒控制和自适应机制相结合，给出了针对一类具有仿射不确定性线性系统的具有自适应机制的鲁棒控制器设计方法，并将这种控制策略应用到旋翼飞行机器人航向控制中。本论文的具体内容安排如下： 第一章，系统地分析和归纳了鲁棒控制理论中H∞控制、H2控制及鲁棒保性能控制等三种控制方法的发展现状以及其用于复杂机电系统时所存在的问题，同时简要介绍了旋翼飞行机器人控制领域的发展现状及现有方法。 第二章，基于线性矩阵不等式理论，分别研究了具有时不变不确定性和具有时变不确定性两类系统的鲁棒H∞控制问题。在传统固定增益鲁棒控制器设计方法的基础上，引入自适应机制设计变增益鲁棒控制器。该控制器的特点是控制器的参数可以根据不确定参数在线估计的结果自动调节以补偿不确定性对系统的影响；同时可以确保闭环系统渐近稳定且其H∞性能指标可以在线性矩阵不等式的框架中进行优化。 第三章，以自适应H∞控制为基础，提出了具有自适应机制的鲁棒H2控制方法。H∞控制系统具有较好的鲁棒性和较强的扰动抑制能力，但其动态品质较差；与其相反，H2控制可以使系统获得很好的动态、稳态性能。该控制器设计方法将线性矩阵不等式与自适应方法相结合，控制器参数仿射依赖于由自适应律在线调节的不确定性参数估计，所得到的自适应鲁棒H2控制器设计条件比固定增益鲁棒控制器设计条件保守性要小。 第四章，为了使系统不仅能鲁棒稳定而且动态响应满足一定的性能指标，进一步提出了具有自适应机制的鲁棒保性能控制方法。保性能控制方法提供一个性能指标上界，保证即使存在不确定性的情况下，系统性能衰减不会超过这个指标上界。在线性矩阵不等式方法框架下，将自适应控制方法与保性能控制方法相结合，获得了一种新的控制器设计方法。仿真实验表明了该方法的有效性。 第五章，介绍了本人参与设计的飞行机器人实验系统以及部分初步实验结果。 最后对全文作出总结，并提出了下一步研究的方向。

非完整系统鲁棒控制方法及在水面移动机器人中的应用

近年来，随着机器人技术的发展，各种各样的移动机器人系统正在开始应用于工业、国防安全、公共安全、灾难救援、科学探测等领域；但是，遥控作业仍然是制约移动机器人广泛应用的一个核心问题。如何使机器人系统摆脱遥控的束缚而具有全自主行为能力，是目前机器人学领域重点研究的关键问题之一。自主环境适应能力是移动机器人最基本的自主能力之一。机器人系统需要面对不可预知的、动态的、存在时变扰动和噪声的工作环境，这通常会导致机器人动力学参数的变化，从而使传统的机器人控制技术很难得到满意的控制效果并达到自主环境适应的目的。同时，目前的移动机器人系统大都受非完整约束的影响，由于其约束的不可积性，使其控制与规划变得异常困难，因此研究移动机器人在存在不确定情况下的鲁棒控制问题，以及存在非完整约束条件下的镇定问题和规划问题具有非常重要的理论意义和实际应用价值。本文以沈阳自动化所与大连理工大学联合研制的三体船型水面移动机器人（UTV）这个典型的受不确定以及非完整约束影响的系统为背景，研究其在存在大量不确定因素及外界环境干扰条件下的鲁棒控制问题和其在受制于非完整约束情况下的镇定和运动规划问题，其中前者主要针对系统在受风、流、浪等外界干扰下的鲁棒控制问题；后者旨在解决满足非完整约束条件下的非线性系统规划与控制问题。本论文的具体内容安排如下：第1章，简单介绍了非完整系统的概念，归纳出非完整系统在控制上的两方面核心问题，即：不确定性及扰动的抑制问题和运动规划与控制问题。对解决这两类问题的现有方法进行了深入分析和综述，包括动态模型的在线估计共性方法、非完整约束系统运动控制方法、以及优化与预测控制方法，同时，介绍了本文作为仿真与实验对象的三体船型水面平台的发展概况。针对现有方法存在的问题有针对性地提出了本论文的研究内容。第2章，首先简要介绍了机器人学国家重点实验室与大连理工大学联合研制的三体船型水面移动机器人试验平台，作为本论文后续仿真与实验研究的对象，介绍了该平台的动力系统与控制系统。从运动控制的角度出发，综合考虑推力、水动力等对整个系统的动力学进行了分析，建立了完整的6自由度动力学模型以及水平面运动的简化模型。在此基础上，分析了三体船型水面移动机器人的非完整约束特性和能控性，为后续方法研究奠定了基础。第3章，提出了一种基于主动建模的鲁棒控制设计方法。对于包含难以准确建模动力学以及外来扰动等不确定性的系统，可以将其动力学模型合理简化，而将所有不确定因素以模型差的形式引入到系统中；将引入的模型差与系统原有状态组合成增广状态，构造出联合估计模型；再利用在线估计方法实时估计这个模型差；同时，将估计出的模型差利用某种控制策略反馈到控制量中，达到增强系统鲁棒性的目的。针对三体船型水面移动机器人，在理论上分析了上述方法的稳定性，并在实际三体船型水面机器人上开展了实验比较研究。实验结果表明此方法对系统中存在的各种不确定因素具有很好的抑制作用。第4章，重点研究非线性系统在线估计以及将在线与控制相结合的问题。在简要介绍可以用于非线性估计的UKF方法的基础上，针对其性能严重依赖噪声先验知识的问题，提出了一种基于主从结构的自适应滤波器设计方法。同时针对三体船型水面机器人非线性系统模型中存在的不确定性因素，提出了一种基于自适应UKF的指数跟踪控制器设计方法。仿真结果验证了自适应UKF算法的性能提高，同时验证了基于在线估计的指数跟踪控制器对时变参数与扰动的抑制作用。第5章，研究了非完整约束系统的镇定控制问题。提出了一种高维流形嵌入法；通过把二阶非完整约束系统嵌入到高维流形中，将在原空间中镇定到一个点的问题转化成在扩展的状态空间中镇定到一个子流形的问题；从而，可以将原空间不可连续反馈镇定的控制问题转化为高维流形中可连续反馈镇定控制问题，理论上证明了该方法的正确性和完备性。针对三体船型水面移动机器人的仿真结果验证了该方法的正确性。第6章，针对非完整约束对移动机器人可执行轨迹的制约问题，提出了跟踪控制Lyapunov函数的概念，并将其引入到非完整系统地运动规划中，用跟踪控制Lyapunov函数来保证规划算法的收敛性和可执行性。该方法将非线性预测控制与基于跟踪控制Lyapunov函数的广义逐点最小范数控制相结合，得到了一种在保证闭环稳定性前提下的运动规划算法；理论上证明了该方法的正确性，并针对三体船型水面移动机器人动力学进行仿真验证。

基于混合灵敏度的水下机器人鲁棒控制研究

为了使水下机器人(AUV,autonomous underwater vehicle)在多环节不确定条件下满足水下作业时动力定位的控制精度要求,深入研究了混合灵敏度鲁棒控制中各加权函数的选取原则后,设计了基于混合灵敏度的 AUV 鲁棒控制器。通过 AUV 半物理仿真平台上的动力定位试验和控制算法对比试验,证明了所设计的鲁棒控制器对于水下机器人系统的外界扰动和参数变化不确定性具有良好的抑制作用,控制效果令人鼓舞。

一类时滞不确定非线性系统的鲁棒控制器设计

针对一类具有单输入滞后不确定非线性系统 ,采用精确反馈线性化方法和 Lyapunov方法设计出一种使系统终极有界 ( UUB)的无记忆光滑状态反馈鲁棒控制器 .仿真算例表明了本文所采用方法的有效性 .

滑动控制理论在海洋机器人动态定位系统中的应用

本文论述了一种新的鲁棒性控制方法——滑动控制理论.并将该方法应用于海洋机器人的动态定位系统设计.仿真结果表明该方法是相当成功和有效的,对系统的参数变化有强鲁棒性.

Robust Guaranteed Cost Control for Yaw Control of Helicopter

针对具有时变不确定性且不确定性界为椭球的线性系统提出了一种新的具有自适应机制的鲁棒保性能控制器设计方法。首先,引入一个具有可由自适应律在线调整的可调参数的目标模型,通过该参数来保证由目标模型与被控模型所获得的误差系统渐近稳定。结合保证目标模型稳定性的设计,最终形成保证闭环系统稳定且控制器增益仿射依赖于可调参数的鲁棒保性能跟踪控制器。应用于安装在试验平台上的小型直升机航向控制中,仿真试验表明了该方法的有效性。

Robust Learning Control for Manipulators with Uncertainty Disturbances Based on Internal Model

In this paper, a disturbance controller is designed for making robotic system behave as a decoupled linear system according to the concept of internal model. Based on the linear system, the paper presents an iterative learning control algorithm to robotic manipulators. A sufficient condition for convergence is provided. The selection of parameter values of the algorithm is simple and easy to meet the convergence condition. The simulation results demonstrate the effectiveness of the algorithm..

Stimulated Raman adiabatic passage from atomic to molecular Bose-Einstein condensates: Feedback laser-detuning control and suppression of dynamical instability

We present a feedback control scheme that designs time-dependent laser-detuning frequency to suppress possible dynamical instability in coupled free-quasibound-bound atom-molecule condensate systems. The proposed adaptive frequency chirp with feedback is shown to be highly robust and very efficient in the passage from an atomic to a stable molecular Bose-Einstein condensate.

Simulation of single electronic device and robust circuit construction

The article mainly focuses on the simulation of the single electron device and circuit. The orthodox model of single electronic device is introduced and the simulation with Matlab and Pspice is illustrated in the article. Moreover, the built of robust circuit using single electronic according to neural network is done and the simulation is also included in the paper. The result shows that neural network added with proper redundancy is an available candidate for single electron device circuit. The proposed structure is also promising for the realization of low ultra-low power consumption and solution of transient device failure.

An ambient proof and wide tuning range LC VCO with automatic amplitude control for tuner applications

This paper represents a LC VCO with AAC (Auto Amplitude Control), in which PMOS FETs are used as active components, and the varactors are directly connected to ground to widen Kvco linear range. The AAC circuitry adds little noise to the VCO and provides it with robust performance over a wide temperature and carrier frequency range. The VCO is fabricated in 50-GHz 0.35-mu m SiGe BiCMOS process. The measurement results show that it has -127.27-dBc/Hz phase noise at 1-MHz offset and a linear gain of 32.4-MHz/V between 990-MHz and 1.14-GHz. The whole circuit draws 6.6-mA current from 5.0-V supply.

A 1.1GHz LC VCO with Automatic Amplitude Control for Tuner Applications

This paper presents an LC VCO with auto-amplitude control （AAC）, in which pMOS FETs are used,and the varactors are directly connected to ground to widen the linear range of Kvco. The AAC circuitry adds little noise to the VCO but provides it with robust performance over a wide temperature and carrier frequency range.The VCO is fabricated in a chartered 50GHz 0.35μm SiGe BiCMOS process. The measurements show that it has - 127. 27dBc/Hz phase noise at 1MHz offset and a linear gain of 32.4MHz/V between 990MHz and 1.14GHz.The whole circuit draws 6. 6mA current from 5V supply.