2021年, 第28卷, 第11期　
刊出日期：2021-11-20

  

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  航天器集群协同目标伴飞分布式控制

  夏克伟, 卫强, 邹尧

  控制工程. 2021, 28(11): 2101-2107. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210116

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  研究航天器集群协同目标伴飞问题，提出一种分布式自适应控制策略，使得每个跟随航天器在相对于目标航天器的指定位置与其保持相对静止状态。首先，为解决目标的运动信息只对于部分航天器已知且目标的加速度不可测量的问题，设计了分布式姿态和位置观测器；然后，将观测值作为每个跟随航天器的期望轨迹，设计了一种不依赖惯性参数的自适应控制策略。稳定性分析证明所提出的分布式自适应控制策略保证了受控闭环系统是一致渐近稳定的。最后，仿真算例验证了该控制策略的有效性。
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  基于 CenterNet 的集装箱锁孔关键点平滑跟踪

  郝运嵩, 卢彪, 刘峰, 曹海昕, 林静正, 方勇纯

  控制工程. 2021, 28(11): 2108-2113. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210132

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  随着智能科学的发展，集装箱门式起重机的自动吊运技术成为了近年的研究热点，其中，吊具的自动着箱是关键难点环节。为了实现吊具与集装箱的精准对位，提出了一种基于 CenterNet 的锁孔关键点视觉跟踪方法。具体来说，首先使用 CenterNet 进行关键目标检测，然后根据目标的先验几何约束进行筛选，最后对视频流中的关键点坐标进行卡尔曼滤波，实现平滑准确的跟踪。使用 1：20 集装箱模型制作锁孔数据集，实验结果显示CenterNet 相比于其他目标检测网络有更好的泛化能力，并且滤波之后可以以较高的处理速率对关键点进行平滑跟踪，可满足自动着箱操作的要求。
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  IMAV2019 室外小型无人机控制系统设计与实现

  庞强, 吴思, 牛弼陛, 石瑞琦, 李文浩, 刘腾飞

  控制工程. 2021, 28(11): 2114-2122. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210108

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  第十一届国际小型无人机竞赛(IMAV2019)提出了多个高难度的室外飞行任务，对小型无人机的协同、决策、规划、控制等能力提出挑战。针对此次室外竞赛任务，研究小型无人机系统的设计与实现。首先分析竞赛任务和评分规则，并给出了系统的功能需求。然后进行控制系统硬件和软件的设计与实现。该设计方案有效提升了无人机系统自主协同完成复杂任务的自主性、灵活性和效率。该系统在比赛中高效地完成了包裹递送、目标搜索、地图构建等任务，取得了最高分。
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  面向配网带电作业机器人的输电线引线重建 

  胡子琦, 苑晶, 公岩松, 俞诗卓, 张雪波

  控制工程. 2021, 28(11): 2123-2130. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210447

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  配网带电作业机器人需要对输电线所在环境进行感知，从中提取出需要操作的引线部分，进而完成机械臂的运动规划与夹取操作。在利用激光点云进行引线拟合时，由于噪声和激光扫描分辨率低的影响，传统曲线拟合方法无法重建出精确、平滑的参数曲线方程。为此，提出一种基于分层自组织粒子群优化(SOH-PSO)和控制点迭代优化的激光点云引线拟合方法。通过分层自组织粒子群优化算法计算原始点云的降采样比例，进而得到控制点的初始位置；然后，根据由控制点拟合曲线的局部曲率和曲线与点云的欧氏距离迭代优化控制点的位置；最后通过 B 样条插值函数得到引线的参数方程。仿真和实验结果表明，所提方法能够建立更精确的引线参数方程，并且在引线的整体姿态描述上更为平滑和逼真。
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  基于四元数的四旋翼无人机扩展卡尔曼滤波算法

  石宇芃, 马宏军, 陈豹

  控制工程. 2021, 28(11): 2131-2135. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200904

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  四旋翼无人机因体积小、灵活机动、成本低等诸多优势而得到广泛应用。但因其是一个欠驱动、强耦合的非线性系统，执行任务时会受到加速度和磁场干扰，对姿态解算产生严重影响。为了提高无人机姿态的控制精度，提出一种适用于小型无人机姿态估计的四元数扩展 Kalman 滤波算法，该算法通过建立四元数姿态运动模型和航姿传感器测量模型，解决了微机电系统用于载体姿态测量时精度低、易被干扰的问题，有效提高了姿态估计的精度；最后，通过仿真实验验证了所提算法的有效性。
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  融合 DDPG 算法的移动机器人路径规划研究

  张瀚, 解明扬, 张民, 伍乃骐

  控制工程. 2021, 28(11): 2136-2142. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210369

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  路径规划是实现移动机器人自主导航的关键技术。针对传统算法不能有效解决未知动态环境下移动机器人路径规划的问题，提出了一种基于深度确定性策略梯度算法(DDPG)与人工势场法相融合的路径规划方法，首先创建并训练基于 DDPG 算法的路径规划模型；其次，利用人工势场法对 DDPG 算法的动作选择策略进行干预；最后，在四种仿真环境下验证本文所提算法的性能。仿真实验结果表明，本文提出的算法与 DDPG 算法相比，移动机器人行驶路径长度减少 3%至 10%，行驶过程中角速度超过 1.0 rad/s 的次数减少 5%至 12.5%，表明所提方法能有效提升规划路径的平滑度，同时缩短移动机器人路径规划长度。此外，相较人工势场法，本文所提融合算法可有效解决未知动态环境下移动机器人路径规划难题。
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  基于多观测器的 UVMS 自适应神经网络抗扰控制

  张宁, 王红都, 黎明, 侯冬冬

  控制工程. 2021, 28(11): 2143-2152. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210172

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  水下机器人机械臂系统(UVMS)往往面临高度非线性、模型不确定、复杂海洋干扰及执行器死区非线性等因素，严重影响控制精度。首先将 UVMS 水动力学模型与死区非线性特性变换为模型已知和未知两部分，其中未知部分与其他干扰归结为总干扰。接下来利用基于径向基函数(RBF)的自适应神经网络逼近未知非线性函数，并构造神经网络性能估计器，利用其估计误差设计了一种新颖的神经网络干扰观测器来估计总干扰。在此基础上提出了一种基于神经网络干扰观测器、性能估计器以及多补偿器的自适应神经网络抗扰控制算法，并利用李雅普诺夫方法分析了闭环系统的稳定性。最后将所提的算法运用到6 自由度 UVMS 进行仿真实验，并通过对比验证了本文所提控制算法的有效性。
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  面向未知环境的快速安全自主轨迹生成

  李海, 江涛, 苏晓杰, 付文豪

  控制工程. 2021, 28(11): 2153-2157. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210118

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  为了实现在未知环境中移动机器人的最优路径规划，并具有快速安全的特性，提出了一种基于空间凸分解和改进区间时间分配的路径规划算法。本算法借助三次贝赛尔曲线来描述路径，同时提出了混合整数二次规划来优化路径。快速性是通过对轨迹的每个区间施加特别的时间分配方案来实现的。在每个重新规划步骤开始时，在自由已知空间中始终有一个可行、安全的备用轨迹，从而确保安全性。仿真实验环境基于 Gazebo 平台搭建，并基于自主装配的移动机器人进行物理实验，实验结果表明，本算法适用于未知环境下的移动机器人路径规划，且可以有效地进行快速安全的轨迹规划。
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  基于最短路径的大视角变换下 SLAM 回环检测

  应桃, 严怀成, 吴滢跃, 王孟, 李郅辰

  控制工程. 2021, 28(11): 2158-2164. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200946

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  回环检测是视觉同步定位与地图构建中必不可少的一部分，回环的正确检测能够避免机器人的累计位姿漂移问题。但是移动机器人在定位过程中，相机视角发生大幅变化会使得相邻帧间图像的特征点匹配数目骤减，匹配精度降低，系统性能下降甚至匹配失效。基于这些关键帧进行回环检测时会因为视角的变换使得原本的相同位置误认为不同位置，减少了正确回环的判断结果，降低了系统的召回率，影响准确的地图构建。因此，提出基于图像协方差矩阵匹配的最短路径算法，以关键帧为节点，帧间协方差矩阵距离为权重，构建有向图，通过最短路径算法得到关键帧间的位置关系，再结合距离阈值确定相似位置，完成回环检测。最后，在数据集和实际场景中验证了这一算法。
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  单块嵌入式 GPU 下对街景图像的实时分割研究

  陈劲宏, 陈玮, 陈舒曼

  控制工程. 2021, 28(11): 2165-2173. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210411

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  在有限的计算资源下，现有的语义分割网络无法兼顾实时性和准确性，导致在自动驾驶等实时应用领域上仍无法落地应用。为此，本研究采用先将感兴趣目标定位正确后再做进一步分类的策略，其在不同深度下部署了轻量级注意力机制模块以快速地捕捉到有效的空间特征信息，紧接着特征融合模块能够融合这些兼容性低下的空间特征信息，最后经过边界与内部优化模块以提高分割目标边界的平滑性以及内部的准确性和连续性。实验证明单块 Tesla-P100 显卡搭载所提出的网络能够胜任大部分实时任务。对于 352×480 分辨率的 Camvid 图像输入，网络在 76.69 帧下仍能达到 69.12%的均交并比；对于 1 024×2 048分辨率的 Cityscapes 图像输入，网络在 49.90 帧下均交并比达到了 79.75%；对于 720×1 280分辨率的 Aeroscapes 图像输入，网络在 59.53 帧下均交并比达到了 80.43%。
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  基于目标识别的救援无人机的设计与实现

  杜子涛, 刘纯, 张智皓

  控制工程. 2021, 28(11): 2174-2177. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210057

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  基于应急救援物资空投的需求，研发集垂直起降、图像采集及分析和救援物资投放于一体的应急搜救无人机。该无人机可携带救援物资准确飞行至事故中心地带，通过COFDM 图像传输技术回传现场画面，并实现救援物资投放，尤其针对灾害情况不明、危险系数高、偏远等情况，使救援行动更加灵活、智能、安全，最大程度减少不必要的伤亡。试验结果表明，该应急搜救无人机可以垂直起降、直航、左右偏转、空投，实现远距离遥控智能救援，以及失联自动返航等功能。
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  基于迭代学习的多智能体系统协同编队控制

  顾立雯, 王玉龙, 马浪

  控制工程. 2021, 28(11): 2178-2184. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200933

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  针对离散形式的智能体动态模型，为减少外部环境干扰的影响，提出一种基于迭代学习的多智能体编队协同控制方法。首先，在考虑外部环境干扰的情况下，建立了多智能体协同编队控制系统离散时间模型，并在通信拓扑设计的基础上，将多智能体系统协同编队控制问题转化成跟踪控制问题。其次，针对每个智能体设计了形式统一的基于迭代学习算法的编队控制协议，并利用范数理论证明了算法的收敛性。随着迭代次数的增加，该算法能够使离散多智能体系统的输出在有限时间内跟踪期望轨迹，从而使得多智能体系统整体实现期望的编队运动。最后，与传统无模型自适应控制方法进行比较，验证了该设计方法的有效性和优越性。
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  水面保洁子母船多模式控制方法研究

  张凯, 盛林华, 倪杰, 吴培松, 余道洋, 刘锦淮

  控制工程. 2021, 28(11): 2185-2192. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210183

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  针对现有水面保洁装备作业效率低和成本高等现状，本项目研制了由一艘母船和两艘牵引子船组成水面保洁子母船，通过研究母船和子船协同系统的作业原理和模式，在无人控制模式下，提出针对多目标协同的自适应 PID 控制方法及几何逼近方法，分别研究了子船自主控制、子母船协同的规划路线逼近、溜边逼近、自主巡航和障碍规避模式和方法。通过与常规保洁作业的实际应用对比，水面保洁子母船扩大了单位时间内的作业面积、显著提高了作业效率、减轻了作业人员的操作难度，水面保洁子母船以及自动控制方法研制成功，为水面保洁行业装备技术水平的提升和智能化升级做出了贡献和思路。
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  基于 LabVIEW 的无人驾驶汽车变速器监控系统设计

  谢檬, 张安莉, 巩生

  控制工程. 2021, 28(11): 2193-2198. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200866

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  针对无人驾驶汽车变速器安全运行状态的监控问题，设计了基于 LabVIEW 的无人驾驶汽车变速器监控系统。下位机采用 A3144 霍尔传感器采集电机的转速信息，DS18B20 温度传感器采集温度信号，STM32F103C8T6 单片机处理数据，LCD1602 液晶显示模块显示数据。上位机采用 LabVIEW 搭建的监控系统，通过串口来进行连接，下位机产生数据，上位机接受并处理数据。经过测试，上位机监控系统可以调节控制面板参数改变汽车的车速、里程表、温度计、燃油表、转速表等数值，从而显示出汽车速度、发动机转速、左右方向灯、油量表、发动机温度以及各种信号超值报警，满足汽车变速器智能化监控测试要求。
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  四翼飞行器轨迹快速跟踪预设性能反演控制

  潘世华, 江道根, 朱蓉, 尹湘源

  控制工程. 2021, 28(11): 2199-2208. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200922

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  针对四翼飞行器飞行中的综合干扰和轨迹跟踪的预定性能问题，在基于飞控系统双闭环结构的基础上设计出新型预设性能反演控制算法，实现了高精度轨迹快速跟踪控制目标。首先，将飞控系统动力学模型进行解耦，构造出位置环和姿态环的双闭环控制结构；再依据有限时间性能函数对飞控系统变量误差进行坐标变换，转换成具有稳态和动态性能要求的系统变量；然后，运用反演控制算法结合非线性指数观测器估计综合干扰，以此求出总控制律。最后，通过仿真实验验证了控制算法的有效性和实用性。
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  基于改进混沌萤火虫算法的无人艇路径规划研究

  柳俊, 黄鋆

  控制工程. 2021, 28(11): 2209-2214. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210062

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  为优化无人艇航行的路径，在传统萤火虫算法的基础上，对算法进行了改进，提出了一种改进混沌萤火虫算法，并应用于水面无人艇安全航行的路径规划中。首先采用栅格法构建出环境模型，将萤火虫算法的目标函数定义为移动的步数，并且重新定义了萤火虫距离、相对亮度公式和移动方式。接下来，在原算法的基础上，利用混沌萤火虫算法进行了优化，提高算法的局部搜索能力和鲁棒性。通过对目标函数测试与路径规划仿真对提出的算法进行了验证，相比较其他几种智能算法，该算法收敛速度更快，性能更优，是一种安全有效的无人艇路径规划方法。
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  基于蚁群算法的群集系统协同分群控制方法

  李成凤, 邵俊倩, 张阳伟

  控制工程. 2021, 28(11): 2215-2222. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210131

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  研究了多智能体群集系统协同分群控制问题。借鉴蚁群算法，依据虚拟领导者的子群规模需求、个体与虚拟领导者的相对运动方向和个体周围邻居的虚拟领导者选择设计协同分群策略，实现了群体基于局部信息按虚拟领导者的子群规模需求进行协同分群的目的，并且在满足子群规模需求的前提下减少了群体在分群过程中的结构和速度调整，加快了子群的速度协调过程和结构稳定过程。基于李雅普诺夫稳定性定理和拉塞尔不变性原理进行了稳定性分析，并利用仿真实验验证了方法的有效性。
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  二阶多智能体编队及碰撞避免控制

  周瑞敏, 司文杰, 耿则勋

  控制工程. 2021, 28(11): 2223-2229. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210361

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  针对状态依赖联合连通拓扑下的二阶多智能体系统，提出了主从式编队跟踪及碰撞避免控制策略。考虑主智能体速度可知与不可知两种情形，分别设计了分布式编队控制协议。此外，设计了带有碰撞避免的编队控制协议；其中，碰撞避免势场函数引入了基于相对速度的自适应项，可以有效地减小势场力对编队跟踪误差的负面影响。针对上述结果，分别给出了理论证明，并进行了数值仿真和对比实验，验证了所设计方法的有效性。
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  基于轮询协议的非脆弱扩展状态估计

  师卫国, 张亚超, 王书伟

  控制工程. 2021, 28(11): 2230-2238. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210265

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  运用扩展状态估计方法解决有色噪声下非线性网络化系统的非脆弱状态估计问题。设计了一种能有效克服非线性干扰、有色噪声、测量信息传输带宽受限及增益扰动的状态估计器，得到了估计误差协方差上界。首先，利用测量值组差法处理测量有色噪声问题，构造新的测量方程，使用新的测量方程进行状态估计；其次，构建 round-robin 传输协议，降低测量信息在网络交流中受到带宽影响的可能性，同时减少通信负载；然后，通过设计非脆弱估计器，增加系统参数的鲁棒性；最后，通过运用扩展状态估计器，主动估计系统非线性项，使用非线性动态变化率的边界而不是函数本身的边界来解决问题，因此不需要保证函数本身很小或者有界，只需假定非线性是缓慢变化的即可达到满意的性能。
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  改进的 TECS 在 VTOL 倾转翼无人机中的应用

  王娟

  控制工程. 2021, 28(11): 2239-2245. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200942

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  以垂直起降(VTOL)倾转翼无人机为研究对象，优化了总能量控制系统(TECS)的核心算法，实现了固定翼模式下的大包线纵向解耦控制，同时设计了垂向速度限幅调节策略和失速保护策略，提高了无人机的飞行安全，降低了工程应用中参数适配的复杂性。经过仿真验证、平原试飞和高原试飞验证，解决了高度控制和速度控制的超调，高度轨迹跟踪误差减小了 19.9%，垂向速度限幅调节策略有效。失速保护策略只进行仿真测试，通过强突风干扰诱发失速保护，无人机迅速增大空速，保证了飞行安全。
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  城市生活垃圾焚烧过程模型操作软件开发

  严爱军, 刘溪芷

  控制工程. 2021, 28(11): 2246-2251. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200275

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  为了给城市生活垃圾焚烧过程参数控制与优化方法的研究提供便捷的操作环境，开发了一套可以对该过程模型运行状态进行操作的软件。在分析功能、数据等需求的基础上，根据模块化编程思想设计了由人机界面、后台模型和模块通讯组成的三层软件架构，并采用基于.Net 平台的 C#语言、Unity3D 引擎、MATLAB、OPC 等工具实现了各功能模块及其通讯软件。实验测试结果表明该软件可正常显示和操作垃圾焚烧过程参数与设备的运行状态，为研究城市生活垃圾焚烧过程的运行机理和控制方法奠定了基础。
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  基于 IVNS-ASPSO 算法激增需求下第四方物流网络设计

  张宇鑫, 黄敏, 蒋松辰, 刘杰

  控制工程. 2021, 28(11): 2252-2260. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200234

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  近年来各大电商平台的不定期优惠活动导致需求激增的现象出现，激增需求下的网络设计问题成为了第四方物流(4PL)运作模式下一个新的挑战性问题。针对这一问题，基于对激增需求的刻画，建立了激增需求下 4PL 网络设计的数学模型。由于该问题的 NPhard 特性，采用自适应策略粒子群算法进行求解。并针对粒子群算法后期局部搜索能力不足，提出了迭代变邻域搜索策略，进而提出了嵌入迭代变邻域搜索的自适应策略粒子群算法，最后采用三组不同规模的算例进行仿真实验，验证了所提算法的有效性和优越性。
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  具有复合幂函数的混沌系统的设计与仿真

  徐启程, 孙常春, 邢祥宇

  控制工程. 2021, 28(11): 2261-2265. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200466

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  构造了一类新的三维连续自治混沌系统，该系统含有三个非线性项，其中一项是指数小于 1 的复合幂函数，给出了系统的混沌吸引子相图，对系统的耗散性、吸引子的存在性、平衡点的稳定性、Lyapunov 指数特性进行了动力学分析。结果表明此系统具有混沌特性，具有复杂的动力学行为且对系统参数具有敏感性，进行了混沌系统的电路设计，从而进一步说明了提出的系统具有丰富的动力学特性以及有效性。
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  基于步态数据的下肢康复机器人控制设计

  王瑷珲, 葛祎霏, 胡宁宁, 但永平, 喻俊, 卢俊兰

  控制工程. 2021, 28(11): 2266-2272. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200552

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  为了使下肢康复机器人的辅助康复训练更加符合人体运动特性，为下肢运动功能障碍的患者提供更加安全、有效的康复训练，提出一种基于人体步态数据和径向基函数(RBF)神经网络的下肢康复机器人控制策略。首先，以三维动作捕捉系统获取的健康人体步态数据为系统的期望输入；其次，通过 RBF 神经网络自适应控制器产生驱动机器人关节运动的力矩，使机器人的运动轨迹跟踪期望轨迹；然后，采用基于前馈控制的校正模型对机器人的输入力矩进行补偿校正，达到实时校正的目的，从而实现更好的跟踪效果；最后，通过基于实验数据的仿真结果，验证了该方法的可行性和有效性。
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  基于神经网络的 7-DOF 机械臂力位跟踪算法

  查文斌, 徐向荣, 朱永飞, 周攀

  控制工程. 2021, 28(11): 2273-2279. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200374

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  为解决 7-DOF 机械臂在运动过程中受到外界扰动及接触力所产生的抖振问题，给出了机械臂带有约束力的动力学方程，利用 7-DOF 机械臂的冗余解特性建立了约束方程以简化约束参数，提出了具有时变约束状态的神经网络自适应力位控制方法，由神经网络训练求出最优权重；设计控制律，建立李雅普诺夫函数方程和不对称项推导其收敛性；利用 Simulink 仿真并与无约束项的 RBF 神经网络控制相比较，根据机械臂的力位跟踪结果分析了角位移、角速度、约束力、控制力矩以及扰动拟合。系统仿真结果表明在有扰动和接触力的情况下，该方法可以更有效地抑制抖振现象并完成力位跟踪。
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  基于质心调整的四足机器人转弯步态规划

  王艳琴, 许威, 周川, 郭健

  控制工程. 2021, 28(11): 2280-2285. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200272

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  针对四足机器人转弯过程中容易失稳的问题，提出了一种基于零力矩点(ZMP)稳定性判据动态调整质心的改进型转弯步态规划方法，提高了四足机器人转弯时的动态稳定性。该步态规划方法根据 ZMP 稳定性判据规划 ZMP 参考轨迹始终处于对角支撑线上，确保机器人具有最大的稳定裕度。通过线性倒立摆和 ZMP 结合的模型得到连续平滑的质心调整参考轨迹，利用坐标系间的参数变换矩阵将足端轨迹转换到机身坐标系下求解期望的关节角。最后，利用 MATLAB 和 ADAMS 进行仿真分析，仿真结果验证了所提转弯步态规划方法的有效性。
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  基于动态柔性变结构的 BLDCM 调速技术研究

  段梦琨, 王伟明, 潘彦宇, 闻程

  控制工程. 2021, 28(11): 2286-2292. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200186

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  针对无刷直流电机(BLDCM)调速系统中，传统的控制算法难以满足稳、准、快的性能要求。在分析动态柔性变结构控制的基础上，将其简化，并与经典 PI 控制方法相融合，设计了一种简化的动态柔性变结构 PI(SDSVSPI)控制算法，应用到无刷直流电机的速度控制系统中。利用 MATLAB/Simulink 搭建无刷直流电机闭环控制仿真模型，分别采用PI 控制、变饱和柔性变结构控制和 SDSVSPI 控制进行闭环反馈控制。仿真结果表明：采用 SDSVSPI 控制较 PI 控制和变饱和柔性变结构控制缩短了调节和整理时间，转矩脉动小，具有更好的控制精度。