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最新作品发布时间：2025-12-08 17:26
有限视场角约束下虚拟管道分布式可微分向量场控制 无人机集群作为新质生产力形成的重要推动力量，近年来在物流运输、搜索救援等低空经济相关领域得到广泛应用。而当各无人机的机载视觉设备受到有限视场角的约束时，如何实现机间避碰是一大难题。本文利用虚拟管道对无人机集群的约束作用，设计了一种有限视场角约束下的集群控制方法。该方法不仅能够保证集群能够安全快速穿越虚拟管道，同时所设计的控制器是高阶可微的，有效提升了算法的实际应用效果。 相关论文： Gao Yan, Bai Chenggang, Quan Quan. Distributed and differentiable vector field control within a curved virtual tube for a robotic swarm under field-of-view constraints. IEEE Transactions on Automatic Control, 2025, 70(8): 5190-5205. 关键词：#机器人集群 #无人机集群 #虚拟管道 #北京航空航天大学 #可靠飞行控制研究组#有限视场角约束 #避障控制
升力翼多旋翼的主动抗风控制：基于导纳的航向自适应方法 针对升力翼多旋翼在强风悬停中的稳定性问题，本研究提出一种基于导纳控制与扰动观测的主动抗风策略。通过引入“抗风度”量化飞行器抗风能力，并设计偏航导纳控制器，使无人机自动调整航向以对准风向，显著降低侧风影响。实验表明，在8m/s强风下，该方法位置控制误差较传统PID降低78.7%，悬停精度提升显著，为复杂风场环境下的无人机作业提供了可靠技术路径。 相关论文： Wang Shuai, Chen Xinquan, Wei Haoyu, and Quan Quan. Heading Adjustment by Admittance Control for Lifting-wing Quadcopters in Strong Winds[J]. IEEE Robotics and Automation Letters, 2025, 10(4):3558-3565. 关键词：#升力翼多旋翼 #抗风 #无人机 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
第七讲|三维环形交叉口内协同垂直起降无人机的实用分布式控制 近年来，随着无人机技术的快速发展，大规模低空无人机空中交通管理（ATM）的研究引起了人们的关注。与传统的空中交通管理不同，空域中的小型无人机数量可能高达数百万，这使得低空ATM具有挑战性。在ATM中，空域由航路、交叉口和节点组成。本研究基于三维虚拟管道模型，为空域中的交叉口构建了三维环岛结构，将其分解为中心岛、匝道和缓冲区。进一步，本研究设计了垂直起降（VTOL）无人机通过三维环岛的分布式控制器，将其表示为三维环岛通行问题。相应的控制目标包括机间无碰撞、保持在三维环岛内以及避免局部最小值，其中考虑垂直起降无人机的运动学模型，将水平控制和高度控制通道解耦，使得该控制方法更适合实际应用。 相关论文：Rao Fu, Pengda Mao, Yangqi Lei, Kai-Yuan Cai, Quan Quan. “Practical distributed control for cooperative VTOL UAVs within a three-dimensional roundabout,” IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2025, 26(7):9341-9357. #可靠飞行控制研究组 #RFLY #北京航空航天大学 #虚拟管道
第六讲：基于平均场的群体机器人穿过虚拟管的密度控制 基于平均场的群体机器人穿过虚拟管的密度控制 近年来，随着无人机相关技术的快速发展，其在复杂环境下的自主飞行安全性与效率问题日益受到广泛关注。特别是在无人机集群协同穿越复杂场景时，如何实现高效、安全的群体运动控制，已成为一项具有挑战性的研究课题。曲线虚拟管道控制方法为解决该类问题提供了有效途径。在此基础之上，本文提出一种基于密度控制的改进方法，通过对曲线虚拟管道内部无人机密度的规划与调节，使集群能够根据管道宽度的变化灵活调整空间分布，从而在保障安全性的前提下，显著提升穿越过程的整体效率。 相关论文：Yangqi Lei, Quan Quan, Zhikun She. "Mean-field-based density control for swarm robotics passing-through a virtual tube," IEEE Control Systems Letters, 2024, 8:3500-3505. #可靠飞行控制研究组 #RFLY #北京航空航天大学 #虚拟管道
第五讲：基于虚拟管道的集群快速通行规划 近年来随着低空经济的蓬勃发展，大规模自主机器人的应用研究已成为当下的热门方向。其中的根本挑战是如何协调大型机器人群体实现特定的全局配置，这对于空中交通管制、搜索和救援任务以及目标检测等应用至关重要。基于全权教授提出的虚拟管道范式，为了更快、更安全地在虚拟管道中导航群体机器人，本文结合空中交通宏观基本图的规律，将迭代学习的概念与平均场反馈相结合，重点研究如何通过平均场在宏观尺度上学习并提高集群导航效率。 相关论文：Shuli Lv, Pengda Mao, Quan Quan. “Mean-field based time-optimal spatial iterative learning within a virtual tube,” IEEE Control Systems Letters, 2024, 8:2021-2026. #可靠飞行控制研究组 #RFLY #北京航空航天大学 #虚拟管道
四：视场约束下机器人群在弯曲虚拟管内的分布式可微分矢量场控制 第四讲： 无人机集群作为新质生产力形成的重要推动力量，近年来在物流运输、搜索救援等低空经济相关领域得到广泛应用。而当各无人机的机载视觉设备受到有限视场角的约束时，如何实现机间避碰是一大难题。本文利用虚拟管道对无人机集群的约束作用，设计了一种有限视场角约束下的集群控制方法。该方法不仅能够保证集群能够安全快速穿越虚拟管道，同时所设计的控制器是高阶可微的，有效提升了算法的实际应用效果。 相关论文：Yan Gao, Chenggang Bai, Quan Quan. “Distributed and differentiable vector field control within a curved virtual tube for a robotic swarm under field-of-view constraints,”IEEE Transactions on Automatic Control, 2025, 70(8):5190-5205. #可靠飞行控制研究组 #RFLY #北京航空航天大学 #虚拟管道
第三讲：群体机器人穿越大规模障碍物环境的高效同伦路径规划 Tube RRT*：群体机器人穿越大规模障碍物环境的高效同伦路径规划 近年来，同伦轨迹规划的概念作为群体机器人在大规模障碍环境中导航的一种新颖解决方案逐渐兴起，并展现出广泛的应用前景。然而，目前在大规模障碍环境中仍缺乏高效的同伦路径规划方法。本文提出了一种创新的同伦路径规划方法——Tube RRT*，该方法在快速探索随机树（RRT）算法的基础上进行了改进。Tube RRT*能够高效地生成属于同一同伦类的路径，并同时考虑通道体积和路径长度，以缓解群体拥堵并实现灵活的导航。通过全面的仿真和实验验证了Tube RRT*的有效性。 Pengda Mao, Shuli Lv, Quan Quan. “Tube RRT*: Efficient homotopic path planning for swarm robotics passing-through large-scale obstacle environments,” IEEE Robotics and Automation Letters, 2025, 10(3):2247-2254. #可靠飞行控制研究组 #RFLY #北京航空航天大学 #虚拟管道
第二讲：一种虚拟管道的可流通度 随着机器人集群技术的快速发展，越来越多的任务需要机器人集群安全高效地通过复杂的环境。虚拟管道技术是实现这一目标的新方法，它通过构建连接起点与目的地的自由空间，为机器人集群提供安全边界和运动方向。在此基础上，评估虚拟管道的设计质量十分重要，它能为虚拟管道的设计提供参考。本次讲座主要聚焦于一种二维虚拟管道质量的度量——可通行度（Degree of Flowability，DOF）。讲座将介绍可通行度的概念和计算方法，并进行可行性分析，最后展示不同类型二维虚拟管道的仿真实验结果。 相关论文：Quan Quan, Shuhan Huang, Kai-Yuan Cai. “A degree of flowability for virtual tubes,” Robotics and Autonomous Systems, 2025, 193:105108. #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学 #RFLY #虚拟管道
第一讲：狭窄管道中的鱼类集群通行机理 近年来，无人机、机器人等智能体集群通行受到了广泛关注，其中无人机集群穿越狭窄通道是一个常见的应用场景。本次讨论班针对Petitella georgiae鱼群在梯形虚拟管道中的通行行为，从零搭建实验平台开展实验记录和数据分析，研究鱼群速度和密度在不同区域的变化规律，介绍一种生物启发下的狭窄管道集群通行算法，能够为无人机通行提供一定参考。 相关文章：Shuang Gu, Quan Quan. “Collective properties of petitella georgiae in tube environments,” Scientific Reports, 2024, 14(1):1-15. #可靠飞行控制研究组 #RFLY #北京航空航天大学
本文提出了一种基于Lyapunov理论的D-learning改进方法——DOPT（D-learning with Off-Policy Target），旨在提高样本效率和控制器收敛速度。DOPT通过引入离策略和目标网络，利用历史数据训练Lyapunov候选函数和D函数，从而在保证系统稳定性的同时，显著减少了训练所需的数据量。实验表明，DOPT在倒立摆和单轨车等非线性系统的控制任务中，相比DDPG和D-learning，表现出更好的稳定性、样本效率和控制器性能，并且在训练过程中的收敛性也有更好的保证。 #D-learning #Lyapunov理论 #样本效率 # 离策略学习 #非线性系统控制 #DOPT #稳定性验证 #神经网络控制器 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学 空航天大学
DOPT：面向样本高效与快速收敛控制的离策略目标D学习 本文提出了一种基于Lyapunov理论的D-learning改进方法——DOPT（D-learning with Off-Policy Target），旨在提高样本效率和控制器收敛速度。DOPT通过引入离策略和目标网络，利用历史数据训练Lyapunov候选函数和D函数，从而在保证系统稳定性的同时，显著减少了训练所需的数据量。实验表明，DOPT在倒立摆和单轨车等非线性系统的控制任务中，相比DDPG和D-learning，表现出更好的稳定性、样本效率和控制器性能，并且在训练过程中的收敛性也有更好的保证。 Zhaolong Shen, Quan Quan. “DOPT: D-learning with Off-Policy Target toward Sample Efficiency and Fast Convergence Control”. In: IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA).2025:9637-9643. 关键词：#D-learning #Lyapunov理论 #样本效率 #离策略学习 #非线性系统控制 #DOPT #稳定性验证 #神经网络控制器 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
升力翼多旋翼飞行器建模和统一控制 升力翼多旋翼 (Lifting-wing Multicopter) 是一种新型的混合布局无人机，通过在多旋翼机体上加装一个固定的小角度机翼（通常小于45°），期望在简化结构的同时实现高效飞行。研发高效、控制鲁棒的升力翼多旋翼，对于拓展无人机在物流运输、长航时侦察与巡检等领域的应用具有重要价值。本视频展示了升力翼多旋翼的动力学建模，覆盖悬停、过渡和前飞全飞行包线的统一、节能控制策略设计和飞行试验验证。 Quan Quan, Wang Shuai, Gao Wenhan. Lifting-Wing Quadcopter Modeling and Unified Control[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2025,48(3):689-699. #升力翼多旋翼 #混合布局飞行器 #统一控制 #控制分配 #RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
视线约束下的多旋翼无人机可拦截性 为应对小型无人机对公共安全的威胁，本研究针对视线（LOS）约束下的多旋翼拦截器，提出了一种新的拦截能力评估方法。引入了“可拦截度”（DOI）的概念，用于量化评估拦截器完成任务的能力。可拦截度可作为多旋翼拦截器设计的指导指标，当推力方向与传感器视场中心对齐时，拦截更容易实现。通过大量数值仿真和真实飞行实验，验证了所提DOI的最优性和有效性，为提升多旋翼拦截能力提供了实用框架。 Kun Yang, Chenggang Bai, Quan Quan, Line-of-Sight-Constrained Multicopter Interceptability. Guidance Control and Dynamics, 2025, 48(4):951-960. #多旋翼 #无人机拦截 #视线约束 #可拦截性 #博弈论 #控制理论 #单目视觉 #RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
用于干扰估计的SO(3)几何观测器 本研究受SO(3)群几何控制器与滤波器设计启发，提出直接在特殊正交群SO(3)上构建几何观测器GOB，将旋转动力学完整特性融入干扰观测器设计中。GOB-I利用姿态与角速度测量值，实现恒定干扰下的近乎全局渐近稳定性，并在平衡点附近对斜坡/抛物线干扰呈现指数收敛特性；GOB-II仅利用姿态测量值可保证局部渐近稳定。实验验证表明，该观测器在大角度机动、时变干扰及传感器误差场景下具有显著优势，成功应用于多旋翼未知负载悬停与高机动控制中。 论文信息：Shuai Wang, Haixin Zhao, Quan Quan. GOB: Geometric Observer on SO(3) for Disturbance Observation. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2024：1-12. DOI:10.1109/TMECH.2024.3498934 关键词：#多旋翼 #扰动观测器 #无人机 #飞行器 #抗扰控制 #高机动 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
基于环形靶标的集群内相对定位 多旋翼无人机集群能够可靠工作的前提是集群内部各机之间的相对位置已知。对于GNSS拒止环境下的集群内部相对定位来说，视觉方法备受青睐，现存的视觉方法大多依赖于实物靶标，这些靶标存在占用体积大、没有全向性或者定位精度差等问题。本研究基于所设计的全新的环形靶标，仅依靠靶标介于可见与不可见之间的两个成像端点，方法简单速度快，且具有全向性，目前已实现了无人机集群内部的相对定位。 Ze Lu,Yingzhi Wu, Sijie Yang, Kun Zhang, Quan Quan. Fast and Omnidirectional Relative Position Estimation With Circular Markers for UAV Swarm. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2024,73:3472903 DOI: 10.1109/TIM.2024.3472903 #多旋翼 #无人机 #飞行器 #视觉相对定位 #环形靶标 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
Tube RRT*：集群穿越大规模复杂环境的高效同伦路径规划 同伦轨迹规划的概念作为一种新颖的解决方案，出现在大规模障碍环境中群体机器人的导航领域，提供了广泛的应用前景。然而，它缺乏一种在大规模障碍环境中高效生成同伦路径的方法。本文介绍了一种新的同伦路径规划方法——Tube RRT*，该方法基于并改进了快速探索随机树（RRT）算法。Tube RRT*旨在高效生成属于同一同伦类的路径，并同时考虑间隔体积和路径长度，以缓解群体拥堵并实现敏捷导航。通过全面的仿真和实验，验证了Tube RRT的有效性。 Pengda Mao, Shuli lv, Quan Quan. Tube RRT*: Efficient Homotopic Path Planning for Swarm Robotics Passing-Through Large-Scale Obstacle Environments. IEEE Robotics and Automation Letters，2025,10(3):2247-2254. DOI: 10.1109/LRA.2025.3531151 #多旋翼 #运动和路径规划 #多机器人系统 #同伦路径 #虚拟管道 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
速度受限下机器人集群在包含障碍物梯形虚拟管道内分布式穿行控制 虚拟管道在实际使用中，其内部可能存在故障无人机和未被事先探测到的微小障碍物，这些不确定因素可被统一建模为虚拟管道内的静态障碍物。此外，以固定翼无人机为代表，无人机很可能不仅存在最大飞行速度约束，同时存在最小飞行速度约束，即无人机无法实现原地悬停。本研究针对包含障碍物的梯形虚拟管道，重点解决速度受限下无人机集群的分布式穿行控制器设计问题，设计的控制器始终满足最大、最小飞行速度约束。 Gao Yan, Bai Chenggang and Quan Quan. Distributed Control within a Trapezoid Virtual Tube Containing Obstacles for Robotic Swarms Subject to Speed Constraints[J]. IEEE Transactions on Control of Network Systems, 2025, 12(1):287-299. DOI:10.1109/TCNS.2024.3463472 #机器人集群 #无人机集群 #虚拟管道 #速度约束 #避障控制 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
基于视觉伺服的无人机高速精准拦截 针对非法无人机威胁低空安全的问题，本文提出一种搭载捷联式相机的自主多旋翼拦截方案，通过基于图像的视觉伺服（IBVS）控制器实现高速动态目标的精准拦截。针对高速场景下的图像处理延迟，引入延迟卡尔曼滤波器（DKF）预测目标位置，并结合硬件在环仿真与真实飞行实验，验证了终端速度达20 m/s的高精度拦截能力。 Kun Yang, Chenggang Bai, Zhikun She, Quan Quan. High-Speed Interception Multicopter Control by Image-Based Visual Servoing. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2025, 33(1):119-135. DOI:10.1109/TCST.2024.3451293 #视觉伺服控制 #多旋翼无人机 #高速拦截 #卡尔曼滤波器 #低空安全 #反无人机#无人机黑飞#RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
系留升力翼多旋翼像风筝一样降落 系绳无人机的自动着陆是一个重要的问题。通常，无人机依靠位置传感器，如GNSS和外部摄像机来获取位置数据。然而，在GNSS拒止或强风等恶劣环境下，无人机难以接近着陆区域，常见的解决方案不能用于自动着陆。系留升力翼多旋翼具有类似于风筝的结构和静态稳定性。受风筝的启发，本文提出了一种新的系留升力翼多旋翼的着陆方法，可在没有位置或速度传感器的情况下使用。在着陆阶段，只需要保持旋翼推力大于重力以主动拉直系绳，并保持类似风筝的恒定姿态，增加阻尼。同时，卷线器只需要以恒定的速度回收线缆，直到系留升力翼多旋翼降落。实际飞行实验验证了该方法的可行性和实用性。 论文信息：Haoyu Wei, Shuai Wang and Quan Quan. Tethered Lifting-Wing Multicopter Landing Like Kite. 2024 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Yokohama, Japan, 2024, pp. 11811-11817. Doi: 10.1109/ICRA57147.2024.10611536. #系留无人机 #升力翼多旋翼 #多旋翼 #飞行器 #运动控制 #RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
模式控制：一种D学习方法 基于学习的控制策略被广泛应用于机器人技术和控制领域的各种任务中。然而，基于非线性动力系统的学习控制器的Lyapunov稳定性保证很难获得。我们提出了一种新的控制方法，即模式控制（CWP），以解决与非线性动力系统对应的数据集上的稳定性问题。此外，D学习作为一种在不了解系统动力学的情况下进行CWP的方法。最后，在仿真和实飞实验中，D学习模式控制器可以基于实时图像作为反馈稳定多旋翼无人机的位置。 论文信息：Quan Quan, Kai-Yuan Cai and Chenyu Wang. Control with Patterns: A D-learning Method. 8th Annual Conference on Robot Learning, Munich, 2024. Website:https://openreview.net/forum?id=qoebyrnF36 #Lyapunov方法 #强化学习 #模式控制 #D学习 #视觉伺服 #数据驱动控制 #RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
虚拟管道内集群的速度和密度规划 虚拟管道为无人机集群在复杂环境中的通行提供了安全通路。本研究基于建立好的虚拟管道，通过求解最优化问题规划虚拟管道内的速度场和密度场，使集群跟踪规划结果，提高速度受限的无人机集群在虚拟管道内通行的安全性和效率。本研究尤其适用于无人机集群在缩窄管道中的通行。大量的数字仿真和实飞实验证明了本研究的有效性和鲁棒性。 论文信息： W. Song, Y. Gao, and Q. Quan, “Speed and density planning for a speed-constrained robot swarm through a virtual tube,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 9, pp. 10628-10635, 2024.DOI：10.1109/LRA.2024.3477094 #无人机集群 #运动规划 #运动控制 #虚拟管道 #最优化 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
2022RoboMaster冠军：轻量级视觉导航与控制方法 本研究开发了一种无人机竞速自主系统。我们提出了一系列无需外部位置信息即可运行的自主无人机竞速导航算法：一种用于轻量级门检测，能实现频率60 Hz的门检测；一种用于直接碰撞检测，寻求深度图像的最大通过性。在此基础上，速度规划器根据视觉导航的结果生成速度命令，实现门搜索和避障飞行。搭载该系统的无人机能够以2.5 m/s的最大速度穿越复杂环境，并在 2022年RoboMaster无人飞行器智能感知技术竞赛中获得冠军。 论文信息： Sijie Yang, Wenqi Song, Runxiao Liu and Quan Quan. A Lightweight Visual Navigation and Control Approach to the 2022 RoboMaster Intelligent UAV Championship. Drones and Autonomous Vehicles. 2024, 1(2):10002. DOI: 10.1002/rnc.6858 #多旋翼 #无人机 #飞行器 #视觉导航 #自主导航飞行 #无人机竞速 #2022Robomaster无人飞行器智能感知技术竞赛 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
可靠飞行控制研究组成果走进湖南卫视 设想一下，一架四旋翼无人机飞行途中，部分螺旋桨无法旋转，如何依然保持安全飞行？北京航空航天大学科研团队历经多年研究，在多旋翼无人机容错控制技术方面取得重要突破，为上述难题找到答案。相关成果在机器人领域重要国际学术期刊《IEEE机器人学汇刊》发表。湖南卫视《新闻大求真》栏目也对此成果进行了报道。 #多旋翼 #容错控制 #容灾控制 #无人机 #飞行器 论文信息： Chenxu Ke, Kai-Yuan Cai, Quan Quan.Uniform passive fault-tolerant control of a quadcopter with one, two,or three rotor failure. IEEE Transactions on Robotics, 2023, Volume 39:6, 4297-4311.DOI: 10.1109/TRO.2023.3297048
RflyMAD：多旋翼无人机故障诊断和健康评估数据集 随着无人机逐步进入人们的日常生活之中，人们对于无人机的健康状态和故障及时检测变得更为关注。现阶段，虽有较多针对无人飞行器的故障诊断算法，但仍然缺少开源的带有故障状态数据，特别是系统级别故障数据的无人机数据集。本文介绍了系统级别的多旋翼无人机故障数据集RflyMAD，涵盖了多旋翼无人机在多种飞行状态和多种故障下的实飞数据以及能够被验证的可以一定程度上替代实飞数据的仿真数据。弥补了目前无人机带有故障的实飞数据因为收集成本过高而稀缺的问题。此外，我们还提供了相应的使用文档以及代码工具，详细请参见：https://rfly-openha.github.io/documents/4_resources/dataset.html 论文信息：Le X, Jin B, Cui G, Da X, Quan Q. RflyMAD: A Dataset for Multicopter Fault Detection and Health Assessment[J]. arXiv preprint arXiv:2311.11340, 2023. #多旋翼 #无人机 #飞行器 #数据集 #故障诊断
通信拒止环境下集群拦截任务分配 在应对一群来自空中的敌对飞行器时，在通信拒止环境下我们的无人机集群该如何有效拦截它们？本研究提出了一种通过主动观测来完成集群拦截分配的方法。我们引入了博弈论，以解决无法通信时无人机各自的决策所引起的冲突。我们将集群拦截分配问题表述为一个图博弈，以描述相邻多旋翼飞行器之间目标选择的强耦合。特别是，我们研究了相关均衡（CE）来描述拦截者的联合策略。与集中式匈牙利算法相比，所提出的算法可以通过主动观测获得相似的覆盖范围和全局报酬，从而在不直接通信的情况下实现集群拦截分配。 论文信息：Kun Yang, Chenggang Bai, Quan Quan. Multi-Task Allocation without Direct Communication: Graphical Game based Swarm Interception. #多旋翼 #多旋翼集群 #无人机 #自主拦截 #集群对抗
控制无人机自主穿越直线虚拟管道 随着无人机的相关研究在如火如荼地进行，如何使多无人机自主穿越二维直线管道是一个常见的应用场景。其中，直线管道可以是实体，例如走廊、门窗、隧道等，也可以是虚体，例如对人为设计的虚拟管道。具体地，无人机进入管道后不可越出管道边界，最终到达管道终点，整个过程中需要满足无人机之间的防碰撞条件。该研究对于军事、民用、救援、摄影、农牧等领域都具备潜在应用价值。 #多旋翼 #无人机 #飞行器 #空中交通 #虚拟管道 #防碰撞 #RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学 论文信息：Quan Quan, Rao Fu, Mengxin Li, Donghui Wei, Yan Gao, and Kai-Yuan Cai.Practical distributed control for VTOL UAVs to pass a virtual tube.IEEE Transactions on Intelligent Vehicles, 2022, 7(2): 342-353.DOI:10.1109/TIV.2021.3123110
无势正交向量场提高避障、避碰效率 近年来，随着无人机、机器人相关技术的发展，基于向量场算法的集群分布式控制越来越受到人们的关注。本研究基于传统的人工势场法，创新性的提出了“无势正交向量场”算法，其核心思想为在不影响系统稳定性、安全性的前提下，降低排斥向量场在总向量场中的占比，从而大大提高了集群避障、避碰的效率。 #无人机 #无人机集群 #多智能体 #虚拟管道 #人工势场法 #向量场 #分布式控制 #RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学 论文信息： Yan Gao, Chenggang Bai, Rao Fu, and Quan Quan.A Non-Potential orthogonal vector field method for more efficient robot navigation and control.Robotics and Autonomous System, 2023, 159: 104291.DOI:10.1016/j.robot.2022.104291
基于虚拟管道的单机快速通行规划 近年来，随着无人机、机器人等技术的发展，越来越多的团队和机构开始研究如何使机器人达到自身的物理极限。本次讨论班针对一般的无人机竞速场景，基于虚拟管道给出了一种时间最优空间迭代学习方案，并展示仿真和实验结果。 #无人机 #机器人 #虚拟管道 #无人机竞速 #迭代学习 #在线学习 #北京航空航天大学#可靠飞行控制研究组 论文信息：Shuli Lv, Yan Gao, Jiaxing Che, and Quan Quan. Autonomous Drone Racing: Time-Optimal Spatial Iterative Learning Control within a Virtual Tube. 2023 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), London, United Kingdom, 2023, pp. 3197-3203, DOI: 10.1109/ICRA48891.2023.10161383.
速度约束下机器人集群在包含障碍物的梯形虚拟管道内的快速穿行 随着相关技术的发展，无人机、机器人等智能体的相关研究在如火如荼地进行；其中，无人机集群在速度受限的条件下穿越复杂环境是一个常见的应用场景。本次讨论班针对梯形虚拟管道中存在微小静态障碍物的情况，面向存在最大、最小飞行速度约束的无人机集群，介绍一种速度受限下的分布式控制算法，并展示仿真和实验结果。 #虚拟管道 #无人机 #机器人 #集群控制 #可靠飞行控制组 #北京航空航天大学 论文信息：Yan Gao, Chenggang Bai, Quan Quan. Distributed Control within a Trapezoid Virtual Tube Containing Obstacles for UAV Swarm Subject to Speed Constraints. Online: arXiv preprint arXiv.2212.12640
基于环形虚拟管道的目标合围控制 随着相关技术的发展，无人机、机器人等智能体的相关研究在如火如荼地进行；其中，对静态目标进行合围是无人机、机器人等智能体的一个常见的应用场景。本次讨论班针对静态目标合围任务，介绍一种基于三维环形虚拟管道的无人机集群分布式控制算法，并展示仿真和实验结果。 #虚拟管道 #无人机 #机器人 #集群控制 #合围 #可靠飞行控制研究组#北京航空航天大学 论文信息：Gao Yan, Bai Chenggang, Zhang Lei, Quan Quan. Multi-UAV Cooperative Target Encirclement within an Annular Virtual Tube [J]. Aerospace Science and Technology, 2022, 128: 107800 DOI:10.1016/j.ast.2022.107800
面向机器人集群的虚拟管道鲁棒控制 随着相关技术的发展，无人机、机器人等智能体的相关研究在如火如荼地进行；其中，穿越二维正则曲线管道是无人机、机器人等智能体的一个常见的应用场景。其中，曲线管道可以是实体，例如走廊、门窗、隧道等，也可以是虚体，例如对人为设计的虚拟管道。在这些场景中，无人机集群往往受到自定位漂移的影响，即每架无人机只能通过机载惯导设备获得本机的位置、速度信息。同时，为了保证无人机之间的防碰撞，每架无人机可以实现与邻居无人机的精准相对定位。本次讨论班针对自定位漂移、相对定位的情况，介绍一种二维正则曲线管道的分布式鲁棒控制算法，并展示仿真和实验结果。 #虚拟管道 #无人机 #集群控制 #曲线管道 #鲁棒控制 #相对定位 #可靠飞行控制研究组#北京航空航天大学 论文信息：Gao Yan, Bai Chenggang, Quan Quan. Robust distributed control within a curve virtual tube for a robotic swarm under self-localization drift and precise relative navigation. International Journal of Robust and Nonlinear Control.DOI:10.1002/rnc.6858
面向机器人集群的交叉虚拟管道通行控制 随着无人机的相关研究在如火如荼地进行，无人机在无约束空间内的运动问题得到了广泛研究。具体地，各无人机的目标地点独立，且运动过程中无人机间距离需满足防碰撞条件。本研究将该问题建模为自由飞行控制问题，设计的分布式控制协议可满足无人机之间防碰撞，收敛至目标，以及严格避免“死锁”现象。该研究的潜在应用包括智能交通、无人机集群等。 #虚拟管道 #多旋翼 #无人机 #飞行器 #空中交通 #自由飞行#防碰撞 #RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学 论文信息：Rao Fu, Quan Quan, Mengxin Li, and Kai-Yuan Cai.Practical distributed control for cooperative multicopters in structured free flight concepts.IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2023, 24(4)：4203-4216.DOI:10.1109/TITS.2022.3229386
面向机器人集群的正则曲线虚拟管道通行控制 随着相关技术的发展，无人机、机器人等智能体的相关研究在如火如荼地进行；其中，穿越二维正则曲线管道是无人机、机器人等智能体的一个常见的应用场景。其中，曲线管道可以是实体，例如走廊、门窗、隧道等，也可以是虚体，例如对人为设计的虚拟管道。因此，该研究对于军事、民用、救援、摄影、农牧等领域都具备潜在应用价值。本次讨论班主要对二维正则曲线管道的分布式控制算法进行介绍，并展示仿真和实验结果。 #无人机 #无人机集群 #多智能体 #虚拟管道 #开放曲线虚拟管道 #复杂环境穿行 #分布式控制 #RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学 论文信息：Quan Quan, Gao Yan, Bai Chenggang. Distributed Control for a Robotic Swarm to Pass through a Curve Virtual Tube [J]. Robotics and Autonomous System, 2023, 162: 104368.DOI:10.1016/j.robot.2023.104368
面向机器人集群的梯形虚拟管道通行控制及组合管道切换控制 随着相关技术的发展，无人机、机器人等智能体的相关研究在如火如荼地进行；其中，穿越二维梯形管道、组合管道是无人机、机器人等智能体的一个常见的应用场景。其中，梯形管道可以是实体，例如走廊、门窗、隧道等，也可以是虚体，例如对人为设计的虚拟管道。因此，该研究对于军事、民用、救援、摄影、农牧等领域都具备潜在应用价值。本次讨论班主要对二维梯形管道、组合管道的分布式控制算法进行介绍，并展示仿真和实验结果。 #无人机 #虚拟管道 #仿真 #集群分布式控制 #Robotarium #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学 论文信息：Gao Yan, Bai Chenggang, Quan Quan. Distributed Control for a Multi-Agent System to Pass through a Connected Quadrangle Virtual Tube [J]. IEEE Transactions on Control of Network Systems, 2022, DOI: 10.1109/TCNS.2022.3203936
基于向量场的机器人集群控制基础 近年来，随着无人机、机器人相关技术的发展，基于向量场算法的集群分布式控制越来越受到人们的关注。为了提高集群避障、避碰的效率，北航可靠飞行控制组基于传统的人工势场法，创新性的提出了“无势正交向量场”算法，其核心思想为在不影响系统稳定性的前提下，降低排斥向量场在总向量场中的占比。本次讨论班主要对无势正交向量场算法进行介绍，同时回顾传统的人工势场法，最后展示仿真和实验结果。 #无人机 #无人机集群 #多智能体 #虚拟管道 #人工势场法 #无势正交向量场算法 #分布式控制 #RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学 论文信息: Yan Gao, Chenggang Bai, Rao Fu, and Quan Quan.A non-potential orthogonal vector field method for more efficient robot navigation and control[J]. Robotics and Autonomous Systems, 2023, 159: 104291.DOI:10.1016/j.robot.2022.104291
面向机器人集群的最优管道规划 近年来，随着无人机、机器人相关技术的发展，集群分布式控制越来越受到人们的关注，常见的方法包括编队控制、集群协同轨迹规划等。基于最优化以及集合的基础理论，北航可靠飞行控制组创新性的提出了最优虚拟管道规划的概念。本次讨论班主要对无生成线的虚拟管道进行定义，并分析管道的相关性质，介绍适用于集群飞行的最优虚拟管道规划方法，最后展示仿真和实飞对比结果。 #最优虚拟管道 #管道规划 #最优化 #虚拟管道#可靠飞行控制研究组#北京航空航天大学 论文信息：Pengda Mao, Rao Fu, Quan Quan.Optimal Virtual Tube Planning and Control for Swarm Robotics.Online:arXiv preprint arXiv:2304.11407
面向机器人集群的正则管道规划 近年来，随着无人机、机器人相关技术的发展，集群分布式控制越来越受到人们的关注，常见的方法包括编队控制、集群协同轨迹规划等。基于传统的群集（flocking）控制方法，北航可靠飞行控制组创新性的提出了正则虚拟管道规划的概念。本次讨论班主要对有生成线的虚拟管道进行定义，并分析管道的相关性质，介绍适用于集群飞行的正则虚拟管道及规划方法，最后展示仿真对比结果. #机器人 #集群 #无人机 #正则虚拟管道 #虚拟管道 #可靠飞行控制研究组#北京航空航天大学#IROS 论文信息： Pengda Mao, and Quan Quan. Making robotics swarm flow more smoothly: a regular virtual tube model.2022 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2022). Kyoto, Japan. 2022: 4498-4504. DOI:10.1109/IROS47612.2022.9981842
机器人集群及虚拟管道建模 近年来，随着无人机、机器人相关技术的发展，集群分布式控制越来越受到人们的关注，常见的方法包括编队控制、集群协同轨迹规划等。基于传统的群集（flocking）控制方法，北航可靠飞行控制组创新性的提出了虚拟管道的概念。本次讨论班主要对机器人集群和虚拟管道的数学模型进行介绍，内容包 括机器人运动学模型、不确定模型、基于生成线的虚拟管道、无生成线的虚拟管道、正则虚拟管道、最优虚拟管道等。 关键词：#虚拟管道#正则管道#最优管道#虚拟管道 #可靠飞行控制研究组#北京航空航天大学#IROS 论文信息： 1.Pengda Mao, and Quan Quan. Making robotics swarm flow more smoothly: a regular virtual tube model.2022 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2022). Kyoto, Japan. 2022: 4498-4504. DOI:10.1109/IROS47612.2022.9981842 2.Quan Quan, Rao Fu, Mengxin Li, Donghui Wei, Yan Gao, and Kai-Yuan Cai. Practical distributed control for VTOL UAVs to pass a virtual tube. IEEE Transactions on Intelligent Vehicles, 2022, 7(2): 342-353.DOI:10.1109/TIV.2021.3123110 3.Yan Gao, Chenggang Bai, and Quan Quan.Distributed control for a Multi-Agent system to pass through a connected quadrangle virtual tube.IEEE Transactions on Control of Network Systems, 2023, 10(2):693-705.DOI: 10.1109/TCNS.2022.3203936
四旋翼飞行器旋翼失效的统一容错控制 多旋翼飞行器的安全问题一直伴随着多旋翼飞行器。尤其是对于四旋翼飞行器而言，单个旋翼的突然失效往往是致命的，不可恢复的。很多控制方法被应用到了四旋翼无人机的容错控制研究中，并且取得了不错的效果。所有针对四旋翼飞行器单个执行器完全失效的控制策略均采用了放弃偏航通道下的稳定性。说到底，四旋翼飞行器在一个旋翼完全失效的情况下，只能通过自身的高速旋转来维持自身的平衡。那么说到旋转，我们是否能想到曾经或者现在依旧被人熟知的陀螺呢？从这里入手，分析了四旋翼飞行器在执行器完全失效的情况下的哪些因素可以影响其旋转的特性，以及如何通过这些特性来提高容错控制系统的鲁棒性。另外本文通过动态控制分配实现了不同故障程度的无缝衔接，即某个执行器从健康到部分失效以及完全失效完全是在唯一的控制器和控制参数下实现的，不需要针对不同故障进行不同的控制器切换或者参数切换。本方法通过了半物理仿真和户外真机实验的验证。 #多旋翼 #容错控制 #无人机 #飞行器 #鲁棒性 #RflySim #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学 论文信息：Chenxu Ke, Kai-Yuan Cai, and Quan Quan.Uniform Fault-Tolerant control of a quadcopter with rotor failure.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2023, 28(1): 507-517.DOI:org/10.1109/TMECH.2022.3202804
多旋翼无人机高速视觉伺服对接 本视频主要讨论多旋翼无人机系统的空中回收控制。提出了多旋翼无人机的系统结构和基于速度控制模态的新颖控制策略。这种控制方法直接输出速度控制信号，不需要重新调整内环控制器。在控制器设计中还考虑了多旋翼无人机的倾斜运动。RTK GPS与机载RGB-D相机一起工作，以实现精确的对接操作。仿真和飞行实验验证了这种方法的有效性。 #多旋翼 #空中回收 #无人机 #空中对接 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学 文章信息：Jiaxing Che, Kun Yang, Zhiming Zhou, Yi Ding, Haotian Zhang, and Quan Quan.Hi-Speed visual servo docking for multicopter UAV based on velocity control mode. In 2022 China Automation Congress (CAC) 2022 Nov 25 (pp. 6909-6914). IEEE. DOI:10.1109/CAC57257.2022.10055782
基于图像视觉伺服的单目四轴飞行器动态避障 由于机动性强、价格低、重量轻等特点，多旋翼被广泛应用于农业、物流、防疫、摄影、侦察、巡逻等民用和军事领域。考虑到多旋翼执行任务场景的复杂性，保证多旋翼在不同环境下的自主、可靠、快速飞行是一个亟待解决的现实问题。而蜜蜂仅仅依靠视觉信息就能够在复杂的环境中自由快速飞行，这给我们带来了灵感。本文旨在研究基于单目图像信息和多旋翼动力学特征的多旋翼避障控制器设计，实现多旋翼在执行任务过程中躲避障碍物的目标，并搭建仿真和实验平台进行实验验证。 论文信息：Junqing Ning, Haotian Zhang, and Quan Quan.Dynamic obstacle avoidance of quadcopters with monocular camera based on image-based visual servo.2022 International Conference on Unmanned Aircraft Systems Conference (ICUAS). Dubrovnik, Croatia: IEEE, 2022: 150-156.DOI:10.1109/ICUAS54217.2022.9836140 #多旋翼 #微小型飞行器 #无人机 #单目视觉 #避障 #RflySim#图像伺服 #可靠飞行控制研究组 #北京航空航天大学
无人机集群穿越开放曲线虚拟管道 随着相关技术的发展，无人机、机器人等智能体的相关研究在如火如荼地进行；其中，穿越二维开放曲线虚拟管道是无人机、机器人等智能体的一个常见的应用场景。其中，曲线管道可以是实体，例如走廊、门窗、隧道等，也可以是虚体，例如对人为设计的虚拟管道。本研究主要设计了一种基于开放曲线虚拟管道的分布式穿行控制算法，实现了无人机集群的安全、快速穿行。 论文信息：Quan Quan, Gao Yan, Bai Chenggang. Distributed Control for a Robotic Swarm to Pass through a Curve Virtual Tube [J]. Robotics and Autonomous System, 2023, DOI:10.1016/j.robot.2023.104368
无人机在自由飞行空域中的控制方法 随着无人机的相关研究在如火如荼地进行，无人机在无约束空间内的运动问题得到了广泛研究。具体地，各无人机的目标地点独立，且运动过程中无人机间距离需满足防碰撞条件。本研究将该问题建模为自由飞行控制问题，设计的分布式控制协议可满足无人机之间防碰撞，收敛至目标，以及严格避免“死锁”现象。该研究的潜在应用包括智能交通、无人机集群等。 论文信息：Rao Fu, Quan Quan, Mengxin Li, and Kai-Yuan Cai.Practical distributed control for cooperative multicopters in structured free flight concepts.IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2023, 24(4)：4203-4216.DOI:10.1109/TITS.2022.3229386
无人机集群的安全半径设计方法 无人机在飞行过程中，考虑到噪声、通信延迟、丢包等不确定性，如何设计无人机之间的安全距离，以及无人机控制器在不确定环境中的有效性都是值得研究的问题。本研究提出了无人机集群的控制器设计与安全半径设计分离原理，以及无人机的安全半径设计方法；通过这种方法，无人机的安全半径设计及控制器设计可以互相解耦，在降低设计难度的同时保证了无人机在不确定环境中飞行的安全性。 论文信息：Quan Quan, Rao Fu, and Kai-Yuan Cai.How far two UAVs should be subject to communication uncertainties.IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2023,24(1):429-445.DOI:10.1109/TITS.2022.3213555
