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大型无人机系列的研制与发展

赵煦

《中国工程科学》 2003年 第5卷 第1期   页码 38-41

摘要:

文章全面介绍了我国大型模拟型靶机、实体型靶机及某型无人机的研制、发展历程,阐述了各型靶机(或无人机)的主要技术难点和关键技术。通过对各型无人机发展历程的阐述,说明了一个道理:我国无人机的发展,走的是一条自力更生、独立自主的道路;只有走自己的路,道路才越走越宽广。同时,对未来我国无人作战飞机的作用、地位与发展进行了预测、分析和规划。

关键词: 靶机     无人机     无人作战飞机     发展     应用    

Dynamic Target Tracking of Unmanned Aerial Vehicles Under Unpredictable Disturbances

Yanjie Chen,Yangning Wu,Limin Lan,Hang Zhong,Zhiqiang Miao,Hui Zhang,Yaonan Wang,

《工程(英文)》 doi: 10.1016/j.eng.2023.05.017

摘要: This study proposes an image-based visual servoing (IBVS) method based on a velocity observer for an unmanned aerial vehicle (UAV) for tracking a dynamic target in Global Positioning System (GPS)-denied environments. The proposed method derives the simplified and decoupled image dynamics of underactuated UAVs using a constructed virtual camera and then considers the uncertainties caused by the unpredictable rotations and velocities of the dynamic target. A novel image depth model that extends the IBVS method to track a rotating target with arbitrary orientations is proposed. The depth model ensures image feature accuracy and image trajectory smoothness in rotating target tracking. The relative velocities of the UAV and the dynamic target are estimated using the proposed velocity observer. Thanks to the velocity observer, translational velocity measurements are not required, and the control chatter caused by noise-containing measurements is mitigated. An integral-based filter is proposed to compensate for unpredictable environmental disturbances in order to improve the anti-disturbance ability. The stability of the velocity observer and IBVS controller is analyzed using the Lyapunov method. Comparative simulations and multistage experiments are conducted to illustrate the tracking stability, anti-disturbance ability, and tracking robustness of the proposed method with a dynamic rotating target.

关键词: Unmanned aerial vehicle     Visual servoing     Velocity observer     Target tracking    

A review of cooperative path planning of an unmanned aerial vehicle group

Hao Zhang, Bin Xin, Li-hua Dou, Jie Chen, Kaoru Hirota,brucebin@bit.edu.cn

《信息与电子工程前沿(英文)》 2020年 第21卷 第12期   页码 1671-1814 doi: 10.1631/FITEE.2000228

摘要: As a cutting-edge branch of unmanned aerial vehicle (UAV) technology, the of a group of UAVs has attracted increasing attention from both civil and military sectors, due to its remarkable merits in functionality and flexibility for accomplishing complex extensive tasks, e.g., search and rescue, fire-fighting, reconnaissance, and surveillance. Cooperative (CPP) is a key problem for a UAV group in executing tasks collectively. In this paper, an attempt is made to perform a comprehensive review of the research on CPP for UAV groups. First, a generalized optimization framework of CPP problems is proposed from the viewpoint of three key elements, i.e., task, UAV group, and environment, as a basis for a comprehensive classification of different types of CPP problems. By following the proposed framework, a taxonomy for the classification of existing CPP problems is proposed to describe different kinds of CPPs in a unified way. Then, a review and a statistical analysis are presented based on the taxonomy, emphasizing the coordinative elements in the existing CPP research. In addition, a collection of challenging CPP problems are provided to highlight future research directions.

具有外部干扰和障碍物的无人机编队分布式博弈策略 Research Article

袁洋1,邓亦敏1,罗斯达2,段海滨1,3

《信息与电子工程前沿(英文)》 2022年 第23卷 第7期   页码 1020-1031 doi: 10.1631/FITEE.2100559

摘要: 本文研究了具有外部干扰和障碍物的无人机编队分布式博弈策略,该策略基于分布式模型预测控制(MPC)框架和基于Levy飞行的鸽群优化算法(LFPIO)。首先,提出一种非奇异快速终端滑模观测器(NFTSMO)估计无人机受扰动的影响,并利用Lyapunov函数证明该观测器在固定时间内收敛。其次,设计一种基于拓扑重构的避障策略,使无人机能够以较小能量消耗安全通过障碍物。然后,建立一个分布式MPC框架,该框架中每架无人机仅与邻居交换消息,通过设计分布式MPC代价函数,将无人机编队问题转化为博弈问题,并利用基于Levy飞行的鸽群优化算法求解纳什均衡。最后,利用数值仿真对比实验验证所提策略的有效性。

关键词: 分布式博弈策略;无人机;分布式模型预测控制;基于Levy飞行的鸽群优化算法;非奇异快速终端滑模观测器;避障策略    

无人机网络中的安全连通性分析 None

Xin YUAN, Zhi-yong FENG, Wen-jun XU, Zhi-qing WEI, Ren-ping LIU

《信息与电子工程前沿(英文)》 2018年 第19卷 第3期   页码 409-422 doi: 10.1631/FITEE.1700032

摘要: 无人机网络的独特特征包括高动态网络拓扑、高移动性以及野外无线环境可能使得无人机网络容易受到攻击和威胁。本文基于无人机行为、运动模式和无人机之间的信道特征,为无人机网络提出一种新颖的信任模型。该信任模型由直接信任、间接信任、信任集成和信任更新4部分组成。基于信任模型,提出一种无人机网络中安全链路的概念,该概念仅在两个无人机之间既有物理链路又有信任链路时存在。此外,利用两架无人机之间的物理连通概率和安全连通概率,分析无人机网络的连通性。通过随机几何方法,推导得到考虑和不考虑多普勒频偏情况下的物理连通概率和安全连通概率的解析表达式。仿真结果表明,与具有和不具有恶意攻击的物理连接概率相比,提出的信任模型可以保证无人机之间的安全通信和可靠连接,并在无人机网络面临恶意攻击和其他安全隐患时提高网络性能。

关键词: 无人机网络;信任模型;安全连接;多普勒频移    

多点协同传输机制下的多层无人机—地面异构网络覆盖性能分析 Research Article

王维昊,蒋逸凡,费泽松,郭婧

《信息与电子工程前沿(英文)》 2022年 第23卷 第1期   页码 61-72 doi: 10.1631/FITEE.2100310

摘要: 为满足第六代移动通信的泛在连接需求,无人机作为未来通信网络主要组成部分发挥着关键作用。频谱共享和视距链路传输造成的干扰是无人机通信的一个主要问题。近年来,为减少无人机—地面异构网络干扰,提出多点协同传输技术。本文提出一个三维多层无人机—地面异构网络,其中无人机作为空中基站部署于不同高度。利用随机几何理论,提出一个易于处理的数学框架评估这个异构网络的干扰统计特性和覆盖概率。数值结果表明多点协同传输机制能有效缓解网络中的干扰,尤其当基站密度较大时。此外,部署在更高的空中基站的系统参数是影响所提三维异构网络覆盖性能的主要因素。

关键词: 无人机;泊松点过程;多点协同;干扰统计特性;覆盖性能    

一种基于轨迹动力学的任务导向型飞行自组网赛博物理路由协议 Article

胡蝶, 杨少石, 龚旻, 冯志勇, 祝学军

《工程(英文)》 2022年 第19卷 第12期   页码 217-227 doi: 10.1016/j.eng.2021.10.022

摘要:

作为一种特殊的移动自组网(MANET),飞行自组网(FANET)具有在民用无线通信(如5G和6G)和国防工业中使能各种新兴应用的潜力。路由协议在FANET中起着关键作用。但是,在为FANET设计路由协议时,通常假设空中节点随机移动。这对于以任务为导向的FANET(MO-FANET)显然是不合适的。在该网络中,空中节点为了执行某些任务,通常保持良好的编队构型,沿着大致确定的飞行路径从给定的出发点向确定的目标点移动。本文提出了一种基于跨学科集成的新型赛博物理路由协议,基于MOFANET的特定移动模式,充分利用由任务决定的轨迹动力学模型,构建节点重新加入网络和互相分离的时间序列,并将其与每个节点的邻接矩阵一起作为先验信息。通过大量符合真实情况的NS-3 仿真试验,结果表明,与FANET中使用的现有代表性路由协议相比,本文提出的协议在保证更低的开销和更低的平均端到端延迟的同时,保持了相对适度和稳定的网络时延抖动,并实现了更高的数据包传输率(PDR)

关键词: 信息物理系统     飞行自组网     路由协议     轨迹动力学     无人机    

基于改进萤火虫算法的雷达网络最优化部署 Regular Papers

Xue-jun ZHANG, Wei JIA, Xiang-min GUAN, Guo-qiang XU, Jun CHEN, Yan-bo ZHU

《信息与电子工程前沿(英文)》 2019年 第20卷 第3期   页码 425-437 doi: 10.1631/FITEE.1800749

摘要: 随着无人机行业快速发展,无人机入侵带来的威胁和挑战引起越来越多关注。雷达网络检测是无人机入侵防御的重要手段之一。为在有限雷达资源下形成紧密可靠的雷达监视网络,雷达网优化部署至关重要。然而,由于非线性且变量紧密耦合,雷达网部署优化问题难以解决。提出基于反馈机制的邻居学习策略和精英种群局部搜索策略的改进萤火虫算法,以平衡开发与探索能力,同时采用混沌序列初始化萤火虫位置,提高种群多样性。标准优化测试函数实验和典型雷达部署案例实验表明,该改进萤火虫算法比经典萤火虫算法和4个近期提出的改进算法有更好寻优性能,能有效解决雷达网部署优化问题。

关键词: 改进萤火虫算法;雷达监视网络;部署优化;无人机入侵防御    

Effect of UAV prewetting application during the flowering period of cotton on pesticide droplet deposition

Weixiang YAO, Xianju WANG, Yubin LAN, Ji JIN

《农业科学与工程前沿(英文)》 2018年 第5卷 第4期   页码 455-461 doi: 10.15302/J-FASE-2018232

摘要:

Prewetting process can reduce the contact angle between the droplet and the leaf blade, so that the droplet can more easily wet and spread, thereby increasing the quantity of deposition. To improve the effectiveness of pesticides on cotton leaves, prewetting by single-rotor electric unmanned aerial vehicles (UAV) was studied, focusing on the effects of pesticide deposition on cotton leaves during the flowering period. Cotton leaves in 0°–30°, 30°–60°, 60°–90° leaf blade angle ranges (angle between the leaf blade and the horizontal plane) were examined. In the first experiment, four different prewetting volumes (0, 1.6, 3.2 and 4.8 L) were sprayed by a single-rotor electric UAV on four cotton plots (plots A to D) each with an area of 120 m , and then each area was sprayed with a 0.8% (w/v) ponceau 2R solution by another single-rotor electric UAV. The results revealed that with no prewetting, droplet deposition quantity decreased with increasing leaf blade inclination. After prewetting, the mean droplet deposition quantity on plots B, C and D increased by 39.8%, 9.7% and 24.9%, respectively. The prewetting rate of 1.6 L per 120 m had the most significant effect on improving the deposition of droplets. It was also found that the mean droplet deposition quantity in each leaf blade angle range increased after prewetting. For the leaf blade angle range 60° to 90°, this increase was the most pronounced, with 0.043, 0.062, 0.057 and 0.048 L·cm in plots A–D, respectively. Also, droplet deposition uniformity in the leaf blade angle range 60°–90° was better after prewetting. These results should provide a valuable reference for future research and practice to improve the effectiveness of pesticides applied to cotton by aerial applications.

关键词: aerial spray     cotton     deposition     flowering period     leaf angle     prewetting     UAV    

无人机仿射编队跟踪控制研究 Research Articles

李慧铭,陈浩,王祥科

《信息与电子工程前沿(英文)》 2022年 第23卷 第6期   页码 909-919 doi: 10.1631/FITEE.2100109

摘要:

本文聚焦固定翼无人机集群仿射编队跟踪控制问题,其中固定翼无人机被建模为具有非对称速度约束的独轮车。无人机集群控制目标是生成并跟踪一个由名义编队仿射变换得到的时变目标编队。针对这一目标,在领航跟随者编队控制框架下,提出一种基于应力矩阵的分布式编队控制策略,并从理论上证明,跟随者在跟踪不同飞行轨迹的同时,能够收敛到由领航者位置决定的期望位置,实现编队队形的仿射变换。进一步,为满足固定翼无人机飞行速度约束,提出一种基于饱和函数的控制策略。数值仿真结果证实,所提仿射编队控制策略能有效提高机动性。

关键词: 仿射编队;固定翼无人机;多智能体系统    

Flexible micro flow sensor for micro aerial vehicles

Rong ZHU, Ruiyi QUE, Peng LIU

《机械工程前沿(英文)》 2017年 第12卷 第4期   页码 539-545 doi: 10.1007/s11465-017-0427-0

摘要:

This article summarizes our studies on micro flow sensors fabricated on a flexible polyimide circuit board by a low-cost hybrid process of thin-film deposition and circuit printing. The micro flow sensor has merits of flexibility, structural simplicity, easy integrability with circuits, and good sensing performance. The sensor, which adheres to an object surface, can detect the surface flow around the object. In our study, we install the fabricated micro flow sensors on micro aerial vehicles (MAVs) to detect the surface flow variation around the aircraft wing and deduce the aerodynamic parameters of the MAVs in flight. Wind tunnel experiments using the sensors integrated with the MAVs are also conducted.

关键词: micro flow sensor     flexible sensor     surface flow sensing     aerodynamic parameter     micro aerial vehicle (MAV)    

基于一致性的三维多无人机高精度编队控制策略 Article

Mao-de YAN, Xu ZHU, Xun-xun ZHANG, Yao-hong QU

《信息与电子工程前沿(英文)》 2017年 第18卷 第7期   页码 968-977 doi: 10.1631/FITEE.1600004

摘要: 本文提出了一种基于二阶一致性的多无人机编队控制策略,通过邻接通信,引入位置和速度协同变量来产生控制命令。提出了协同导航算法和协同控制算法,它们分别控制位置和姿态,联合二者可保持特定几何队形。整个编队系统包含三部分:六自由度无人机模型、协同导航算法、协同控制算法,编队控制策略是闭环和全状态的。协同导航算法是二阶一致性算法,给出期望的加速度、俯仰角速率和偏航角速率。协同控制算法综合考虑纵向和横侧向机动,通过推导状态方程来设计协同控制律。分析了编队的闭环稳定性,给出了稳定的充分必要条件。利用同步技术,抑制了位置数据中的测量误差,提高了控制精度。仿真中,三维编队飞行验证了所提编队控制策略的可行性和有效性。

关键词: 多无人机;一致性;协同导航;协同控制;同步技术    

带状态饱和的四旋翼安全轨迹规划 None

Shu-peng LAI, Meng-lu LAN, Ya-xuan LI, Ben M. CHEN

《信息与电子工程前沿(英文)》 2019年 第20卷 第1期   页码 107-119 doi: 10.1631/FITEE.1800719

摘要: 当前,许多基于小型多旋翼的实际应用需考虑障碍物与安全条例的影响。在机载导航计算机有限计算能力下,实时生成安全并符合飞行器动力学特征与状态约束的轨迹,一直以来都是一项挑战。提出一种新型基于安全飞行走廊的轨迹规划方法。该方法可在10 μs内,渐进规划出安全的飞行轨迹。本研究中,安全走廊基于可旋转的多个长方体搭建而成。所提方法已通过模拟和实机实验验证。

关键词: 四旋翼飞行器;无人机;运动规划    

机械与运载工程领域颠覆性技术战略研究

杨艳明,赵云,邵珠峰,李道春,高增桂,张子龙,沈悦,王林军

《中国工程科学》 2018年 第20卷 第6期   页码 27-33 doi: 10.15302/J-SSCAE-2018.06.005

摘要:

通过文献研究和专家访谈等方法,提出机械与运载工程领域已有或潜在的颠覆性技术:仿生智能技术、无轴轮缘推进技术、智能无人飞行器技术、超回路列车技术和微机电系统,对这五项技术的创新性和颠覆性优势进行了分析,最后提出机械与运载领域颠覆性技术的发展建议。

关键词: 机械与运载工程     颠覆性技术     仿生智能技术     无轴轮缘推进技术     智能无人飞行器技术     超回路列车技术     微机电系统    

四旋翼无人机在博弈中的运动规划研究:一种基于仿真的投影策略迭代方法 Regular Papers

Li-dong ZHANG, Ban WANG, Zhi-xiang LIU, You-min ZHANG, Jian-liang AI

《信息与电子工程前沿(英文)》 2019年 第20卷 第4期   页码 525-537 doi: 10.1631/FITEE.1800571

摘要: 数十年来,如何实现在复杂环境中对序列决策问题做出有效合理的决策始终是一个困扰各领域研究者的难题。该决策问题包含状态转移动力学模型、随机因素引入的不确定性、长远决策前沿优化问题以及其他许多难题,包括维数灾难在内的诸多困难使解决这一决策问题的有效方法仍待进一步研究探索。目前,随着增强学习领域不断开发出先进算法,为尝试解决复杂环境中的序列决策问题提供了有潜力的解决方案,并可在实际应用环境中获得较高决策性能。本文提出三维空间中速度可变的一对一四旋翼无人机博弈研究平台,以及一种基于投影策略迭代方法的近似动态规划方法,以学习四旋翼博弈过程中效用函数并生成改进的四旋翼运动决策策略。此外,采用基于仿真的方法,消除维数灾难束缚。仿真结果表明,所提决策方法可在博弈对抗中高效生成有效运动策略,并在与对方四旋翼无人机对抗中能获取并保持有利态势。在肯高迪亚大学网络自动车辆(NAV)实验室进行的飞行实验进一步验证了所提决策方法在实时环境中的决策性能。

关键词: 增强学习;近似动态规划;决策;运动规划;无人机    

标题 作者 时间 类型 操作

大型无人机系列的研制与发展

赵煦

期刊论文

Dynamic Target Tracking of Unmanned Aerial Vehicles Under Unpredictable Disturbances

Yanjie Chen,Yangning Wu,Limin Lan,Hang Zhong,Zhiqiang Miao,Hui Zhang,Yaonan Wang,

期刊论文

A review of cooperative path planning of an unmanned aerial vehicle group

Hao Zhang, Bin Xin, Li-hua Dou, Jie Chen, Kaoru Hirota,brucebin@bit.edu.cn

期刊论文

具有外部干扰和障碍物的无人机编队分布式博弈策略

袁洋1,邓亦敏1,罗斯达2,段海滨1,3

期刊论文

无人机网络中的安全连通性分析

Xin YUAN, Zhi-yong FENG, Wen-jun XU, Zhi-qing WEI, Ren-ping LIU

期刊论文

多点协同传输机制下的多层无人机—地面异构网络覆盖性能分析

王维昊,蒋逸凡,费泽松,郭婧

期刊论文

一种基于轨迹动力学的任务导向型飞行自组网赛博物理路由协议

胡蝶, 杨少石, 龚旻, 冯志勇, 祝学军

期刊论文

基于改进萤火虫算法的雷达网络最优化部署

Xue-jun ZHANG, Wei JIA, Xiang-min GUAN, Guo-qiang XU, Jun CHEN, Yan-bo ZHU

期刊论文

Effect of UAV prewetting application during the flowering period of cotton on pesticide droplet deposition

Weixiang YAO, Xianju WANG, Yubin LAN, Ji JIN

期刊论文

无人机仿射编队跟踪控制研究

李慧铭,陈浩,王祥科

期刊论文

Flexible micro flow sensor for micro aerial vehicles

Rong ZHU, Ruiyi QUE, Peng LIU

期刊论文

基于一致性的三维多无人机高精度编队控制策略

Mao-de YAN, Xu ZHU, Xun-xun ZHANG, Yao-hong QU

期刊论文

带状态饱和的四旋翼安全轨迹规划

Shu-peng LAI, Meng-lu LAN, Ya-xuan LI, Ben M. CHEN

期刊论文

机械与运载工程领域颠覆性技术战略研究

杨艳明,赵云,邵珠峰,李道春,高增桂,张子龙,沈悦,王林军

期刊论文

四旋翼无人机在博弈中的运动规划研究:一种基于仿真的投影策略迭代方法

Li-dong ZHANG, Ban WANG, Zhi-xiang LIU, You-min ZHANG, Jian-liang AI

期刊论文