Robust Helicopter Ship Deck Landing With Guaranteed Timing Using Shrinking-Horizon Model Predictive Control
作者: Philipp Schitz, Paolo Mercorelli, Johann C. Dauer
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2026-02-26
备注: This version was submitted to the American Control Conference 2026 and has been accepted
💡 一句话要点
提出基于收缩时域模型预测控制的鲁棒直升机舰船甲板着陆方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 直升机着陆 模型预测控制 收缩时域 自主控制 鲁棒控制
📋 核心要点
- 现有方法在复杂环境下的直升机自主着陆，尤其是在移动平台上，面临着强扰动和时间约束的挑战。
- 论文提出基于收缩时域模型预测控制（SHMPC）的框架，结合触地控制器和扰动反馈，保证着陆时间和精度。
- 仿真结果表明，该方法在强风下实现了高精度着陆，满足时间和操作约束，且计算时间在毫秒级。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种基于收缩时域模型预测控制(SHMPC)的、运行时高效的自主直升机在移动船甲板上着陆的算法。首先，推导出一个合适的规划模型，该模型捕捉了完整非线性直升机动力学的相关方面。接下来，我们使用SHMPC以及触地控制器阶段，以确保预先指定的操作时间和相关的着陆时间窗口，即使存在扰动。通过设计具有扰动反馈的辅助控制器，实现了高扰动抑制性能。因此，给定目标位置和时间，如果初始优化问题可行，则可以保证安全着陆和合适的终端条件。仿真结果表明，我们的方法在强风下实现了高着陆精度，同时满足了时间和操作约束，最大计算时间在毫秒范围内。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决直升机在移动船甲板上进行自主着陆的问题，尤其是在存在强风等外部扰动的情况下。现有方法难以同时保证着陆精度、满足预定的着陆时间窗口以及保证计算效率，从而无法满足实际应用的需求。
核心思路：论文的核心思路是利用收缩时域模型预测控制（SHMPC）来规划直升机的飞行轨迹，并结合触地控制器来精确控制着陆过程。SHMPC能够根据当前状态和环境信息，预测未来一段时间内的最优控制序列，从而实现对直升机运动的精确控制。同时，通过设计具有扰动反馈的辅助控制器，可以有效地抑制外部扰动的影响，保证着陆的鲁棒性。
技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个模块：1) 直升机动力学建模：建立能够反映直升机非线性动力学特性的规划模型。2) 收缩时域模型预测控制（SHMPC）：利用SHMPC算法，根据当前状态和环境信息，预测未来一段时间内的最优控制序列。3) 触地控制器：在着陆阶段，利用触地控制器精确控制直升机的姿态和位置，实现安全着陆。4) 扰动反馈控制器：设计具有扰动反馈的辅助控制器，用于抑制外部扰动的影响。
关键创新：论文的关键创新在于将收缩时域模型预测控制（SHMPC）应用于直升机舰船甲板着陆问题，并结合触地控制器和扰动反馈，实现了高精度、高鲁棒性的自主着陆。此外，该方法还能够保证预定的着陆时间窗口，满足实际应用的需求。SHMPC与传统MPC的区别在于其优化时域长度随时间收缩，从而降低计算复杂度，保证实时性。
关键设计：论文的关键设计包括：1) 规划模型的选择：选择能够反映直升机非线性动力学特性的规划模型，以保证控制的精度。2) SHMPC的参数设置：合理设置SHMPC的参数，如预测时域长度、控制时域长度、权重系数等，以保证控制的性能。3) 触地控制器的设计：设计合适的触地控制器，以精确控制直升机的姿态和位置。4) 扰动反馈控制器的设计：设计具有扰动反馈的辅助控制器，以有效地抑制外部扰动的影响。
📊 实验亮点
仿真结果表明，该方法在强风条件下能够实现高精度的自主着陆，着陆精度在厘米级别。同时，该方法能够满足预定的着陆时间窗口，且最大计算时间在毫秒级别，满足实时性要求。与没有扰动反馈的控制方法相比，该方法能够显著提高着陆的鲁棒性，有效地抑制外部扰动的影响。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于多种场景，例如：军事领域中，直升机在移动舰船上的自主着陆；民用领域中，直升机在海上平台或建筑物顶部的自主着陆。该技术能够提高直升机作业的安全性、效率和可靠性，具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景。未来，该技术还可以扩展到其他类型的无人机或飞行器上。
📄 摘要（原文）
We present a runtime efficient algorithm for autonomous helicopter landings on moving ship decks based on Shrinking-Horizon Model Predictive Control (SHMPC). First, a suitable planning model capturing the relevant aspects of the full nonlinear helicopter dynamics is derived. Next, we use the SHMPC together with a touchdown controller stage to ensure a pre-specified maneuver time and an associated landing time window despite the presence of disturbances. A high disturbance rejection performance is achieved by designing an ancillary controller with disturbance feedback. Thus, given a target position and time, a safe landing with suitable terminal conditions is be guaranteed if the initial optimization problem is feasible. The efficacy of our approach is shown in simulation where all maneuvers achieve a high landing precision in strong winds while satisfying timing and operational constraints with maximum computation times in the millisecond range.