Field programmable gate array based predictive control system for spacecraft rendezvous in elliptical orbits

Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd. Summary A field programmable gate array (FPGA) based model predictive controller for two phases of spacecraft rendezvous is presented. Linear time-varying prediction models are used to accommodate elliptical orbits, and a variable prediction horizon is used to facilitate finite time completion of the longer range manoeuvres, whilst a fixed and receding prediction horizon is used for fine-grained tracking at close range. The resulting constrained optimisation problems are solved using a primal-dual interior point algorithm. The majority of the computational demand is in solving a system of simultaneous linear equations at each iteration of this algorithm. To accelerate these operations, a custom circuit is implemented, using a combination of Mathworks HDL Coder and Xilinx System Generator for DSP, and used as a peripheral to a MicroBlaze soft-core processor on the FPGA, on which the remainder of the system is implemented. Certain logic that can be hard-coded for fixed sized problems is implemented to be configurable online, in order to accommodate the varying problem sizes associated with the variable prediction horizon. The system is demonstrated in closed-loop by linking the FPGA with a simulation of the spacecraft dynamics running in Simulink on a PC, using Ethernet. Timing comparisons indicate that the custom implementation is substantially faster than pure embedded software-based interior point methods running on the same MicroBlaze and could be competitive with a pure custom hardware implementation.

One-dimensional quantum waveguide theory of Rashba electrons

The ballistic spin transport in one-dimensional waveguides with the Rashba effect is studied. Due to the Rashba effect, there are two electron states with different wave vectors for the same energy. The wave functions of two Rashba electron states are derived, and it is found that their phase depend on the direction of the circuit and the spin directions of two states are perpendicular to the circuit, with the +pi/2 and -pi/2 angles, respectively. The boundary conditions of the wave functions and their derivatives at the intersection of circuits are given, which can be used to investigate the waveguide transport properties of Rashba spin electron in circuits of any shape and structure. The eigenstates of the closed circular and square loops are studied by using the transfer matrix method. The transfer matrix M(E) of a circular arc is obtained by dividing the circular arc into N segments and multiplying the transfer matrix of each straight segment. The energies of eigenstates in the closed loop are obtained by solving the equation det[M(E)-I]=0. For the circular ring, the eigenenergies obtained with this method are in agreement with those obtained by solving the Schrodinger equation. For the square loop, the analytic formula of the eigenenergies is obtained first The transport properties of the AB ring and AB square loop and double square loop are studied using the boundary conditions and the transfer matrix method In the case of no magnetic field, the zero points of the reflection coefficients are just the energies of eigenstates in closed loops. In the case of magnetic field, the transmission and reflection coefficients all oscillate with the magnetic field; the oscillating period is Phi(m)=hc/e, independent of the shape of the loop, and Phi(m) is the magnetic flux through the loop. For the double loop the oscillating period is Phi(m)=hc/2e, in agreement with the experimental result. At last, we compared our method with Koga's experiment. (C) 2009 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3253752]

基于解耦控制的SCARA机器人轨迹跟踪控制器设计

SCARA型机器人的控制问题由于其动力学模型中没有重力矩项的作用而得以简化,由于在实际应用中经常要求其高速运动,则对具有强耦合的哥氏力与向心力的控制就成为制约其系统性能的重要问题。提出通过线性变换对机器人系统解耦,将高阶系统转化为解耦的低阶系统进行控制的方法,并且应用极点配置对解耦的系统求解机器人控制器。该方法无需测量关节速度和加速度,只需要测量关节位置信号。所提出的控制器既能保证闭环系统全局渐进稳定,又能通过对线性化系统闭环极点的配置来获得期望的闭环系统响应性能。仿真实验证明了所提出的控制器设计方法的可行性。

洁净机器人手臂的转动惯量分析及运动控制

针对洁净机器人手臂的转动惯量对系统动态性能的影响,在利用动能公式分析得到其转动惯量与位置关系的基础上,提出了一种位置PI闭环加前馈参数整定的控制方法。该控制方法是由位置值实时得到转动惯量,再由转动惯量来实时整定PI参数。仿真结果表明了该控制方法能有效抑制转动惯量的变化对系统动态性能的影响,且简单可行。

逆向物流流量不确定闭环供应链鲁棒运作策略设计

考虑一类同时具有再分销、再制造和再利用的闭环供应链在逆向物流流量不确定环境下的运作问题.采用具有已知概率的离散情景描述逆向物流流量的不确定性,利用基于情景分析的鲁棒线性优化方法建立该闭环供应链的多目标运作模型.设计了一个数值算例,其结果验证了运作策略的鲁棒性.在该算例基础上,分析了逆向物流流量的大小对闭环供应链系统运作性能的影响.

基于ARM的智能型定氮仪的研制

通过对凯氏定氮法和整个系统控制原理的分析,介绍了一种基于ARM的测定物质中氮元素含量的系统,该系统采用ARM微控制器LPC2214作为整个系统的控制核心,通过步进电机驱动进行标准溶液的滴定和光电检测确定滴定终点,形成闭环系统,实现了准确测定物质中氮元素的含量。文中给出了系统软硬件设计方案,对其实现方法及关键技术进行了研究。实验结果表明:该系统工作稳定,测量数据准确,具有一定的应用价值。

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。

平面自由运动半物理仿真系统的初始条件实现

提出了一种平面自由运动半物理仿真系统的设计,对系统仿真试验的初始条件形成过程进行了具体阐述。系统中应用了一种平面两自由度直角坐标运动装置,用于完成系统驱动及速度和位置控制,同时这种运动装置能够进行直角坐标跟随运动,并与其末端测量机构共同实现对平面自由运动物体的高精度大范围位姿测量。建立了系统的运动学模型,并设计相应的控制算法实现试验所需的运动过程,采用半闭环和闭环相结合的方法有效控制系统的末端累积误差;针对提出的复合测量方法,建立了测量原理的数学模型,并进行了精度分析和仿真计算。实验证明这种设计和相应的控制测量方法合理可行。

新型4自由度并联机器人位姿误差分析

将一种新型四自由度并联机器人等效为由串联机构构成的空间闭环机构 ,运用 Denavit- Hartenberg方法提出了运动平台位姿误差的一种分析算法。利用这个算法可以分析各种构件加工、安装误差对运动平台位姿精度的影响。进行了数值仿真验证了算法的正确性。最后分析出对位姿精度影响较大的因素 ,通过重视这些因素可提高实际机构的操作精度

水下机器人的神经网络自适应控制

研究了水下机器人神经网络直接自适应控制方法,采用Lyapunov稳定性理论,证明了存在有界外界干扰和有界神经网络逼近误差条件下,水下机器人控制系统的跟踪误差一致稳定有界.为了进一步验证该水控制方法的正确性和稳定性,利用水下机器人实验平台进行了动力定位实验、单自由度跟踪实验和水平面跟踪实验等验证实验.

AUV闭环系统可辨识性分析及算法实现

针对水下机器人闭环系统辨识问题,应用闭环系统辨识理论,本文给出了水下机器人闭环系统可辨识的充分条件。运用增广的Kalman滤波算法对某水下机器人进行闭环辨识,获得了该系统模型。验证了所提出充分条件的正确性及算法的可行性。

基于模糊神经网络水下机器人直接自适应控制

提出了基于广义动态模糊神经网络的水下机器人直接自适戍控制方法,该控制方法既不需要预先知道模糊神经结构,也不需要预先的训练阶段,完全通过在线自适应学习算法构建水下机器人的逆动力学模型.首先,本文提出了基于这种网络结构的水下机器人直接自适应控制器,然后,利用Lyapunov稳定理论,证明了基于该控制器的水下机器人控制系统闭环稳定性,最后,采用某水下机器人模型仿真验证了该控制方法的有效性。

基于加速度传感器的机器人极点配置控制

本文为工业机器人提出了一种极点配置控制法．这种控制方法的优点有：一是它的积分作用消除了机器人的微小扰动和稳态误差；二是能任意设置系统的极点，因此能保证闭环系统的稳定性和规定状态变量的暂态响应；三是加入了加速度反馈，抑制了由电枢电感所引起的机械手的振动．最后，给出了ＰＵＭＡ５６２机器人的计算机仿真和实验结果验证了此控制法的有效性。

离散型封闭式传送带生产系统的研究——一种通用的分析方法

本文对离散型封闭式传送带生产系统给出了一种通用的分析方法.基于传送带参数和工作站的服务时间,研究了系统中各流量间的相互关系,建立了动态的和稳态的表达式,给出了系统的品质指标,并首次指出了系统中存在一种循环效应及其对系统容量的影响。最后用仿真方法检验了分析结果的正确性.

海洋机器人的闭环控制与流体动力学模型

本文给出一开启式海洋机器人的水平面运动与垂直面运动的流体动力学模型,闭环控制,解耦设计和仿真结果。本文对海洋机器人控制系统设计,有一定参考价值。