团队名称：飞行器的建模、制导与控制

团队成员：孙青林、孙明玮、陶金，孙昊、檀盼龙

                        孙青林教授                                                    孙明玮教授                    

                       陶金副教授                                               孙昊助理研究员

       本人隶属天津市智能机器人技术重点实验室以及智能预测自适应控制研究室，与多位教师进行联合培养，在包含翼伞、高超声速飞行器等航天器的建模、制导与控制，声波操纵，智能算法等方面进行了深入研究，相关研究方向包括：

（1）翼伞系统的建模与控制

（2）超高声速飞行器的建模与控制

（3）自抗扰控制技术

（4）航空氧气调节器的建模与控制

（5）污水处理中曝气系统建模与控制方法研究

（6）电动液压系统的建模与控制

（7）智能优化算法的设计与应用

（8）三维声波操纵技术

       课题组经费充足，理论基础扎实，近三年来在中科院1区Top期刊上发表了超过30篇论文，总论文超过100篇。同时理论结合实际，具有大量实际工程、对国内/外交流合作资源，与国内相关领域的各大科研院所均有合作，毕业生多就职于阿尔托大学、纽约大学、上海交通大学、中科院力学所、百度、华为、各大航天院所等国内外的顶尖公司或相关科研院所。对内坚持“一人一策”的研究生培养方式，为研究生提供良好的科研、学习环境，助力学生的快速成长，如2020年9月入学的研究生于振萍在2021年4月于NEURAL COMPUTING & APPLICATIONS投稿文章（SCI，中科院二区），论文已接收，正在一审修改中。

近年部分已毕业学生去向：

[1] 陶金，14级博士生，就职于南开大学，副教授，研究生在读期间获研究生国奖、周恩来奖学金、南开十杰等荣誉称号

[2] 檀盼龙，13级博士生，就职于南开大学，助理研究员

[3] 罗淑珍，15级博士生，就职于纽约大学，助理研究员，研究生在读期间获研究生奖学金一等奖

[4] 孙昊，16级博士生，就职于南开大学，助理研究员，研究生在读期间获研究生奖学金二等奖、南开大学-悟空奖教金等

[5] 邬婉楠，16级博士生，就职于中科院力学所，助理研究员

[5] 朴敏楠，18级博士生，就职于中国民航大学，讲师

[5] 陈赛，16级硕士生，就职于百度，工程师

[6] 张少博，18级硕士生，就职于渤海银行，工程师

[7] 郭林，17级硕士生，就职于沈阳市公安局

（1）伞翼无人机的柔性建模、轨迹规划与自主控制技术 （相关研究获5项国家自然科学基金资助）

a.  伞翼无人机的柔性建模：课题组采用流固耦合方法，针对翼伞系统的可变柔性外形，建立伞体的气动模型，提高模型精度。

b.  伞翼无人机的轨迹规划：课题组通过在轨迹规划中引入动力学模型，设计了考虑系统动力学约束的轨迹规划方法。同时，课题组也针对最优轨迹规划、分段轨迹规划等方面进行了相关研究。

c.  伞翼无人机的轨迹跟踪：课题组基于自抗扰控制技术，在伞翼无人机的轨迹跟踪控制领域取得了突破性的进展，在飞行测试中伞翼无人机的控制精度在15米以内，归航落点的平均水平位置误差低于30米。

图2 翼伞轨迹跟踪测试

图3 归航实验结果

（2）航空氧气调节器的建模与控制

课题组采用自抗扰控制算法，针对航空氧气面罩中压强控制的策略进行了研究，相关研究已经发表至Automatica及IEEE TIE等顶级期刊。

图4 航空氧气调节器实验平台

（3）三维声波操纵技术（陶金副教授，芬兰科学院博士后基金，经费300万元）

突破传统声操纵装置只能在声势陷俘获和操纵微小物体的局限性，通过动态声激励能量梯度控制，实现在三维空间中同时且独立的操纵多个微小物体及微小物体群体控制，以完成更复杂运动控制或形成更多类型的空间图案。

图 5 三维声波操纵技术

（4）污水处理中曝气系统建模与控制方法研究

课题组建立基于活性污泥法的曝气环节模型，设计和优化曝气环节控制方法，分别使用了PID控制方法、ADRC控制方法和PSO-BP神经网络自适应控制方法，分析和比较了控制效果。

（5）比例阀控电液系统的建模与控制

比例阀存在换向滞后,电液系统受到的外部干扰,液压油弹性模量随渗入的空气变化，且存在未建模动态，控制难度大, 课题组使用线性扩张状态观测器对比例阀控电液系统的内部扰动、外部扰动、未建模动态进行估计,将虚拟控制量的非线性函数纳入抗扰反步控制器设计, 实现比例阀控电液系统换向滞后补偿。

图6 比例阀控电液系统

（6）智能优化算法的设计与应用（与法国曾宪奕特级教授合作项目，将前往法国合作培养）

用人工智能和可穿戴系统为老人提供远程护理服务，目前已有一名硕士生与一名博士生拟前往法国进行联合培养。该项目主要通过识别传感器所采集的数据，采用智能算法对数据进行判断，如：在拐杖中植入陀螺仪，采用智能算法辨识数据，快速判断老人是否跌倒。

图7 智能可穿戴系统

[1] 翼伞自主归航雀降阶段控制方法研究，国家自然科学基金面上项目，80万，2013.1-2016.12

[2] 基于数值虚拟飞行的伞翼无人机柔性建模与敏捷控制研究, 国家自然科学基金面上项目，59万，2020.01-2023.12

[3] 临近空间二维宽域飞行器不确定任务应变工况的补偿控制，国家自然科学基金面上项目，60万元，2020.01-2023.12

[4] 高超声速飞行本体约束下典型控制结构的优化与分析，国家自然科学基金面上项目，65万元，2015.01-2019.12

[5] Three-dimensional Acoustic Manipulation of Multiple Micro-objects，芬兰科学院博士后基金，36.6637万欧元（284万元），2018.09-2021.08

[6] 无人翼伞系统风场适应性航迹规划及抗扰控制研究，国家自然科学基金青年项目，24万，2021.1-2023.12

[7] 基于异构多智能体协同与动力学约束的翼伞回收系统轨迹优化研究，国家自然科学基金青年项目，24万，2021.1-2023.12

[8] 翼伞飞行器飞行控制技术研究，国家重点研发计划项目子课题，30万，2020.07-2022.12

[9] 基于复杂任务的多翼伞系统智能协同控制研究，天津市自然科学基金重点项目，20万，2019.04-2022.03

[10] 基于复杂动力学特性的伞翼无人机的敏捷控制研究，中国博士后基金面上项目，8万元，2020.05-2022.5

[11] 风场环境下无人翼伞系统自适应航迹规划及抗扰控制研究，中国博士后基金面上项目，8万，2020.05-2020.12

[12] 热气球空投过程仿真技术开发及弹载巡飞器控制系统技术开发，航宇公司横向课题，50万，2019.01-2021.12

[13] 大翼伞智能控制理论研究，北京空间机电研究所开放课题，15万元，2020.08-2021.8

[14] 翼伞空投系统控制方法研究，西安现代控制技术研究所横向课题，15万元, 2021.03-2022.03

[15] 态势感之控制器研究，航宇公司横向课题，15万元，2015.08-2016.04

[16] 氧气面罩气压自适应控制方法研究与实现，天津市重点基金，20万元，2014.04-2017.03

[17] 多气室飞艇超压控制仿真与控制规律设计技术研究，中国特种飞行器研究所，2012.10-2013.10

[18] 基于自抗扰控制的电阻炉控制系统开发研究，兵器集团，2012.05-2014.04

[19] 基于分布式并行智能方法的无线传感网络路径优化研究，教育部重点实验室开放基金，2011.09-2013.09

[20] 基于无线传感网络的智能信号处理与传输，天津市重点基金，2010.04-2012.12

[21] 灾难环境下信息快速获取空投机器人系统关键技术研究，天津市支撑计划，2009.04-2012.03

团队成员获奖情况：

[1] 2021，天津市科技进步二等奖，伞降系统智能地面站.

[2] 2021，天津市科技进步一等奖，高温多变量复杂胜场体系节能减排理论方法与关键技术应用研究.

[3] 2003，国防科技进步二等奖.                                                                                                                                 

[4] 2006，国防科技进步二等奖.

[5] 2006，国防科技进步三等奖.                                                                                                                                

[6] 2006，航天╳╳个人预研二等功.   

学生获奖情况：

[1] 2018 年度南开大学优秀博士论文（入选率<3%），陶金（博士生期间获奖）

[2] 2017-2019 年度天津市优秀博士论文（入选率<1%），陶金（博士生期间获奖）

[3] 13th International FLINS Conference 最佳论文奖，陶金（博士生期间获奖）

[4] 2020年全国博士后人工智能发展与应用论坛，优秀奖，孙昊（博士生期间获奖）

[5] 134th International FLINS Conference 最佳学生论文奖，孙昊（博士生期间获奖）

部分发表论文：

[1] Tao J, Sun Q, Sun H, et al. Dynamicmodeling and trajectory tracking control of parafoil system in windenvironments[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2017, 22(6):2736-2745.(SCI一区，Top顶级期刊)

[2] Sun H, Sun Q, Zeng X, et al. AccurateHoming of Parafoil Delivery Systems based Glide-ratio Control[J]. IEEETransactions on Aerospace and Electronic Systems, 2020, 56(3): 2374-2389. (SCI一区，Top顶级期刊)[3] Tao J, Liang W, Sun Q L, et al. Modeling and Control of a Powered Parafoilin Wind and Rain Environments[J]. IEEE Transactions on Aerospace and ElectronicSystems, 2017, 53(4), 1642 - 1659. (SCI一区，Top顶级期刊)

[4] Zhu E, Sun Q, Tan P, et al. Modeling ofpowered parafoil based on Kirchhoff motion equation[J]. Nonlinear Dynamics,2014, 79(1):617-629. (SCI一区，Top顶级期刊)

[5] Tao J , Sun Q , Tan P , et al. Activedisturbance rejection control (ADRC)-based autonomous homing control of poweredparafoils[J]. Nonlinear Dynamics, 2016, 86(3):1461-1476. (SCI一区，Top顶级期刊)

[6] Luo S , Sun Q , Sun M , et al. Ondecoupling trajectory tracking control of unmanned powered parafoil usingADRC-based coupling analysis and dynamic feedforward compensation[J]. NonlinearDynamics, 2018, 92(1): 1619–1635. (SCI一区，Top顶级期刊)

[7] Sun H, Sun Q, Wu W, et al.Altitudecontrol for flexible wing unmanned aerial vehiclebased on active disturbancerejection control andfeedforward compensation[J]. International Journal ofRobust and Nonlinear Control, 2020, 30(6): 222-245.(SCI一区，Top顶级期刊)

[8] Sun H, Luo S, Sun Q, et al. Trajectoryoptimization for parafoil delivery system considering complicated dynamicconstraints in high-order model[J]. Aerospace Science and Technology, 2020, 98:105631. (SCI一区，Top顶级期刊)

[9] Sun H, Sun Q, Luo S, et al. In-flightcompound homing methodology of parafoil delivery systems under multipleconstraints[J]. Aerospace Science and Technology, 2018, 79: 85-104. (SCI一区，Top顶级期刊)

[10] Sun H, Wang F, Sun Q, et al.Distributed consensus algorithm for multiple parafoils in mass airdrop missionbased on disturbance rejection[J]. Aerospace Science and Technology, 2021, 109:106437. (SCI一区，Top顶级期刊)

[11] Tao J, Sun Q, Liang W, et al.Computational fluid dynamics based dynamic modeling of parafoil system[J].Applied Mathematical Modelling, 2017, 54(2):136-150. (SCI一区，Top顶级期刊)

[12] Wu W, Sun Q, Sun M, et al. Modeling andcontrol of parafoils based on computational fluid dynamics[J]. AppliedMathematical Modelling, 2019, 70(1):378-401. (SCI一区，Top顶级期刊)

[13] Zhuang H ,  Sun Q , Chen Z , et al. Back-stepping sliding mode control for pressureregulation of oxygen mask based on an extended state observer[J]. Automatica,2020, 119:109106.

[14] Jiang Y, Sun Q, Zhang X, et al. Pressure regulation for oxygen mask based on active disturbance rejectioncontrol [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(8):6402-6411. (SCI一区，Top期刊)

[15] Piao M, Wang Y, Sun M, et al. Fixed-Time-Convergent Generalized Extended State Observer Based Motor Control Subject to Multiple Disturbances. IEEE Transactions on Industrial Informatics, doi: 10.1109/TII.2021.3059774. (SCI一区，Top期刊)

[16] Tan P, Sun M, Sun Q, et al. Linear Stabilization Control for Underactuated RTAC Based on Model Reconstruction. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, accepted. (SCI一区，Top期刊)

专利：

[1] 国家发明专利, 下投式风场探测仪及探测方法

[2] 国家发明专利, 动力翼伞系统空投风场的辨识方法

[3] 国家发明专利, 跌倒姿态的分类识别方法、装置和可穿戴设

[4] 国家发明专利, 一种用于供氧系统性能测试的呼吸模拟装置

[5] 国家发明专利, 氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统

[6] 国家发明专利, 飞行器俯仰姿态的线性自抗扰控制器设计与参数整定方法

[7] 国家发明专利, 攻角的线性自抗扰控制方法 

[8] 国防发明专利,ZL 2012╳╳╳╳╳╳╳╳.0。