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Constrained Moving Path Following Control for UAV With Robust Control Barrier Function 被引量:4
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作者 Zewei Zheng Jiazhe Li +1 位作者 Zhiyuan Guan Zongyu Zuo 《IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica》 SCIE EI CSCD 2023年第7期1557-1570,共14页
This paper studies the moving path following(MPF)problem for fixed-wing unmanned aerial vehicle(UAV)under output constraints and wind disturbances.The vehicle is required to converge to a reference path moving with re... This paper studies the moving path following(MPF)problem for fixed-wing unmanned aerial vehicle(UAV)under output constraints and wind disturbances.The vehicle is required to converge to a reference path moving with respect to the inertial frame,while the path following error is not expected to violate the predefined boundaries.Differently from existing moving path following guidance laws,the proposed method removes complex geometric transformation by formulating the moving path following problem into a second-order time-varying control problem.A nominal moving path following guidance law is designed with disturbances and their derivatives estimated by high-order disturbance observers.To guarantee that the path following error will not exceed the prescribed bounds,a robust control barrier function is developed and incorporated into controller design with quadratic program based framework.The proposed method does not require the initial position of the UAV to be within predefined boundaries.And the safety margin concept makes error-constraint be respected even if in a noisy environment.The proposed guidance law is validated through numerical simulations of shipboard landing and hardware-in-theloop(HIL)experiments. 展开更多
关键词 Moving path following(MPF) robust control barrier function safety margin shipboard landing unmanned aerial vehicle(UAV)
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基于RCBF的Boost变换器安全强化学习控制策略
2
作者 王想想 崔承刚 +1 位作者 惠培峰 梁琨 《现代电子技术》 北大核心 2026年第2期1-8,共8页
针对带有不确定恒功率负载的DC-DC Boost变换器,提出一种基于新型鲁棒电流约束控制障碍函数的安全强化学习控制策略,确保系统在实现快速电压调节的同时满足安全性要求。首先,结合传统控制障碍函数和固定时间滑模干扰观测器,设计一种新... 针对带有不确定恒功率负载的DC-DC Boost变换器,提出一种基于新型鲁棒电流约束控制障碍函数的安全强化学习控制策略,确保系统在实现快速电压调节的同时满足安全性要求。首先,结合传统控制障碍函数和固定时间滑模干扰观测器,设计一种新型鲁棒电流约束控制障碍函数,约束变换器的瞬态电感电流,以确保学习过程中始终满足安全约束条件;其次,利用强化学习算法构建标称电压控制器,优化系统动态控制性能;最后,通过构建二次优化问题,将标称强化学习电压控制器与鲁棒电流约束控制障碍函数相结合,生成满足系统安全条件的控制集。仿真与实验结果表明,该控制策略在复杂负载条件下能够实现快速、精确的电压跟踪并严格限制暂态电流,显著提升了系统的安全性与鲁棒性。 展开更多
关键词 DC-DC Boost变换器 安全强化学习 鲁棒控制障碍函数 干扰观测器 电流约束 恒功率负载 电压跟踪
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CBF-Based Distributed Model Predictive Control for Safe Formation of Autonomous Mobile Robots
3
作者 MU Jianbin YANG Haili HE Defeng 《Journal of Shanghai Jiaotong university(Science)》 EI 2024年第4期678-688,共11页
A distributed model predictive control(DMPC)method based on robust control barrier function(RCBF)is developed to achieve the safe formation target of multi-autonomous mobile robot systems in an uncertain disturbed env... A distributed model predictive control(DMPC)method based on robust control barrier function(RCBF)is developed to achieve the safe formation target of multi-autonomous mobile robot systems in an uncertain disturbed environment.The first step is to analyze the safety requirements of the system during safe formation and categorize them into collision avoidance and distance connectivity maintenance.RCBF constraints are designed based on collision avoidance and connectivity maintenance requirements,and security constraints are achieved through a combination.Then,the specified safety constraints are integrated with the objective of forming a multi-autonomous mobile robot formation.To ensure safe control,the optimization problem is integrated with the DMPC method.Finally,the RCBF-DMPC algorithm is proposed to ensure iterative feasibility and stability while meeting the constraints and expected objectives.Simulation experiments illustrate that the designed algorithm can achieve cooperative formation and ensure system security. 展开更多
关键词 distributed model predictive control(DMPC) robust control barrier function(RCBF) autonomous mobile robot formation control collision avoidance
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干扰环境下的机械臂全身动态避障与安全柔顺控制方法 被引量:1
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作者 魏岩 俞佳琪 +1 位作者 禹鑫燚 欧林林 《控制与决策》 北大核心 2025年第12期3528-3539,共12页
针对干扰环境下机械臂的安全交互控制问题,提出一种基于控制障碍函数的机械臂全身动态避障与安全柔顺控制方法.为保证系统鲁棒安全的同时降低保守性以提高跟踪性能,提出基于非线性干扰观测器的可调输入至状态安全高阶控制障碍函数,其能... 针对干扰环境下机械臂的安全交互控制问题,提出一种基于控制障碍函数的机械臂全身动态避障与安全柔顺控制方法.为保证系统鲁棒安全的同时降低保守性以提高跟踪性能,提出基于非线性干扰观测器的可调输入至状态安全高阶控制障碍函数,其能够处理高相对度约束,进而拓宽输入至状态安全控制障碍函数的适用范围.进一步,利用所提出的控制障碍函数建立不等式约束,并在二次规划框架下通过最小限度修改参考控制输入来形成鲁棒安全关键控制器.该控制器在机械臂连杆的多个位置构建与障碍物之间的虚拟安全屏障,以实现整个机械臂对静/动态障碍物的规避.同时,在机械臂末端建立多个动态空间约束,以确保机械臂在预设的安全区域内执行交互任务.此外,基于Nagumo定理证明安全集合的前向不变性,并用仿真和实验验证所提出方法的有效性. 展开更多
关键词 鲁棒安全控制 控制障碍函数 输入至状态安全 机械臂 二次规划 安全性分析
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基于高阶控制障碍函数的多固定翼无人机鲁棒避障安全编队跟踪控制 被引量:1
5
作者 付俊杰 林潇坤 温广辉 《机器人》 北大核心 2025年第1期85-98,共14页
在多固定翼无人机编队跟踪控制问题中,系统地处理输入饱和约束、外界输入扰动以及无人机间避碰安全约束存在着挑战。针对这些挑战,本文提出了一种基于高阶控制障碍函数方法的分布式鲁棒避障协同编队控制律。首先,在不考虑避障约束的情况... 在多固定翼无人机编队跟踪控制问题中,系统地处理输入饱和约束、外界输入扰动以及无人机间避碰安全约束存在着挑战。针对这些挑战,本文提出了一种基于高阶控制障碍函数方法的分布式鲁棒避障协同编队控制律。首先,在不考虑避障约束的情况下,设计了一种满足输入和速度约束的多固定翼无人机标称鲁棒编队跟踪控制律。该标称控制律基于滑模控制方法,能够在有界输入扰动影响下实现精准的编队跟踪控制。然后,针对无人机之间的避障要求以及无人机与障碍物之间的避障要求,分别设计了考虑输入约束的改进高阶控制障碍函数,并基于不变集理论,推导了存在外界输入扰动情况下的线性控制输入避障约束条件。最后,基于标称编队跟踪控制律和鲁棒控制输入避障约束条件,为各固定翼无人机构造了一个局部二次规划问题,并通过求解该问题得到最终的鲁棒避障安全编队跟踪控制律。仿真实例表明,本文设计的控制律相较于不考虑外界输入扰动的控制律而言可以有效地处理扰动,相较于基于势函数方法的控制律而言减轻了系统产生的震颤并且更好地处理了无人机的速度约束,相较于基于分布式MPC(模型预测控制)方法的控制律而言在计算时间方面有了显著提升。上述结果验证了所设计控制律的创新性和有效性。 展开更多
关键词 多固定翼无人机 输入及速度约束 分布式协同避障 高阶控制障碍函数 鲁棒编队跟踪
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基于BLF多约束反演控制的电动收获机分布式驱动控制方法研究
6
作者 袁朝春 刘敏 +3 位作者 何友国 陈龙 SHEN Jie 徐立章 《农业机械学报》 CSCD 北大核心 2024年第12期212-220,共9页
针对电动收获机分布式驱动面对喂入扰动时控制的实时性、准确性和稳定性问题,以电动收获机为平台,建立部件负载模型,结合部件转速约束,设计BLF(Barrier Lyapunov function)多约束反演控制算法;利用AMEsim与Matlab/Simulink平台搭建联合... 针对电动收获机分布式驱动面对喂入扰动时控制的实时性、准确性和稳定性问题,以电动收获机为平台,建立部件负载模型,结合部件转速约束,设计BLF(Barrier Lyapunov function)多约束反演控制算法;利用AMEsim与Matlab/Simulink平台搭建联合仿真模型验证控制算法性能。结果表明,与传统PID控制相比本文算法在面对不同喂入扰动时,割台电机、输送电机、脱粒滚筒电机转速控制超调量分别减少4%、34%、92%;调节时间分别减少34%、54%、72%;各部件电机最大转速误差上,本文算法维持在预设转速的3%内,而PID则在8%内。验证了本文算法具有控制迅速、转速跟踪误差小、抗扰能力强的特点,能将部件转速约束在边界内,可实现不同喂入扰动下鲁棒控制,有利于稳定整机作业质量。 展开更多
关键词 电动收获机 分布式驱动控制 反演控制 约束控制 鲁棒控制 BLF
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空间双臂机器人抓捕翻滚目标后的鲁棒稳定控制 被引量:7
7
作者 夏鹏程 罗建军 王明明 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期1138-1155,共18页
针对空间双臂机器人抓捕翻滚目标的稳定控制问题,由于目标惯性参数的不确定性以及双臂同时作用于目标存在内力挤压,已有的稳定控制方法无法有效地约束机械臂末端与目标的接触力与力矩,无法保证控制过程中抓捕点处的接触安全.为此,本文... 针对空间双臂机器人抓捕翻滚目标的稳定控制问题,由于目标惯性参数的不确定性以及双臂同时作用于目标存在内力挤压,已有的稳定控制方法无法有效地约束机械臂末端与目标的接触力与力矩,无法保证控制过程中抓捕点处的接触安全.为此,本文考虑被抓捕目标惯性参数不确定性与双臂内力挤压对抓捕后阶段组合体稳定控制的影响,提出了一种保证接触安全的鲁棒稳定控制方法.首先,根据目标的有界不确定性构造鲁棒正不变集,同时考虑双臂与目标接触内力的影响,利用预测控制方法在该不变集内规划控制目标运动的虚拟接触力与力矩.然后,根据目标动力学模型以及空间双臂机器人的运动约束,规划空间双臂机器人的鲁棒安全期望运动轨迹.最后,利用障碍李雅普诺夫函数构造跟踪控制器,使空间双臂机器人有效地跟踪期望轨迹,从而使得翻滚目标运动受到等效于虚拟控制律的作用,在保证接触安全的同时实现鲁棒的稳定控制.通过空间双臂机器人稳定翻滚目标的仿真算例验证了所提方法的有效性. 展开更多
关键词 翻滚目标 空间双臂机器人 抓捕后阶段 鲁棒控制 障碍李雅普诺夫函数
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基于安全强化学习的不确定二阶系统模型参考跟踪控制 被引量:2
8
作者 胡一帆 刘克新 +1 位作者 付俊杰 温广辉 《控制工程》 CSCD 北大核心 2024年第1期80-87,共8页
针对带有不确定性动态的二阶系统模型参考轨迹跟踪控制问题,设计了一种基于鲁棒控制障碍函数的安全强化学习算法。该算法能在学习跟踪控制器的过程中保证系统避障。首先,对具有安全约束的轨迹跟踪控制强化学习问题进行建模。其次,利用... 针对带有不确定性动态的二阶系统模型参考轨迹跟踪控制问题,设计了一种基于鲁棒控制障碍函数的安全强化学习算法。该算法能在学习跟踪控制器的过程中保证系统避障。首先,对具有安全约束的轨迹跟踪控制强化学习问题进行建模。其次,利用高斯过程模型对未知系统动力学的估计,得到鲁棒的避障控制障碍函数条件,在该条件下得到概率意义下的系统安全性保证。最后,提出基于鲁棒控制障碍函数的安全强化学习算法,得到最优模型参考轨迹跟踪控制律。仿真结果验证了所提算法的有效性。 展开更多
关键词 安全强化学习 避障 鲁棒控制障碍函数 不确定系统 跟踪控制
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永磁直线同步电机自适应分数阶终端滑模控制 被引量:13
9
作者 赵鑫宇 王丽梅 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第20期5434-5443,共10页
针对永磁直线同步电机的位置跟踪性能易受负载扰动、动子质量变化等不确定性的影响,提出一种基于半正定屏障函数的自适应分数阶终端滑模控制策略。首先,采用分数阶终端滑模控制方法来抑制不确定性对系统的影响,保证了跟踪误差在有限时... 针对永磁直线同步电机的位置跟踪性能易受负载扰动、动子质量变化等不确定性的影响,提出一种基于半正定屏障函数的自适应分数阶终端滑模控制策略。首先,采用分数阶终端滑模控制方法来抑制不确定性对系统的影响,保证了跟踪误差在有限时间收敛,且能够有效地减小系统稳态误差。然后,为了进一步改善系统鲁棒跟踪性能,设计基于半正定屏障函数的自适应控制对不确定扰动的上界进行估计,避免了控制增益的过高估计且削弱了系统抖振。此外,该自适应策略在不需要外界扰动先验信息的情况下,可以使得系统误差收敛到一个预定的零邻域内。最后,实验结果表明,该策略提高了系统的跟踪精度,对负载扰动和附加有效载荷具有较强鲁棒性。 展开更多
关键词 永磁直线同步电机 自适应分数阶终端滑模控制 半正定屏障函数 鲁棒性
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具有预设暂态性能的一类不确定非线性系统渐近状态跟踪控制 被引量:1
10
作者 陈浪雷 刘勇华 苏春翌 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期1421-1426,共6页
研究一类不确定非线性时变系统的预设暂态性能渐近状态跟踪控制问题.在无需系统函数先验知识的条件下,本文采用漏斗控制技术和障碍李雅普诺夫函数方法,提出了一种新颖的鲁棒自适应状态反馈控制策略.所设计的控制器不仅能够确保状态跟踪... 研究一类不确定非线性时变系统的预设暂态性能渐近状态跟踪控制问题.在无需系统函数先验知识的条件下,本文采用漏斗控制技术和障碍李雅普诺夫函数方法,提出了一种新颖的鲁棒自适应状态反馈控制策略.所设计的控制器不仅能够确保状态跟踪误差渐近收敛到零点,而且满足其预先设定的性能要求.仿真实例验证了所提控制策略的有效性. 展开更多
关键词 非线性系统 渐近状态跟踪 鲁棒自适应控制 障碍函数
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具有时变输出约束的柔性机翼非线性自适应控制 被引量:1
11
作者 孟亭亭 王久斌 崔爔 《控制与决策》 EI CSCD 北大核心 2024年第9期2987-2994,共8页
具有弯曲和扭转变形的柔性翼系统由一个四阶偏微分方程(PDE)与一个二阶常微分方程(ODE)描述,其中各个通道的干扰和参考轨迹来自于一个未知外系统.此时所有干扰和参考轨迹的系数均未知,且由于外系统初值未知,扰动和参考轨迹的时变状态也... 具有弯曲和扭转变形的柔性翼系统由一个四阶偏微分方程(PDE)与一个二阶常微分方程(ODE)描述,其中各个通道的干扰和参考轨迹来自于一个未知外系统.此时所有干扰和参考轨迹的系数均未知,且由于外系统初值未知,扰动和参考轨迹的时变状态也未知.首先,将柔性翼系统的鲁棒输出调节问题转化为跟踪误差系统的镇定问题,此时来自于干扰和参考轨迹的时变未知项被进一步转化为未知系数与已知时变信号的组合;然后,提出非线性自适应控制,其中非线性对数项用于保证时变输出约束,自适应律用于估测未知干扰的系数;最后,基于Barrier Lyapunov函数证明闭环系统跟踪误差的收敛性,以及跟踪误差的时变约束特性,通过Matlab数值仿真进一步验证该控制方法的有效性. 展开更多
关键词 时变约束 鲁棒输出调节 非线性自适应控制 barrier Lyapunov函数 柔性翼系统 渐近稳定
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