Robust Helicopter Ship Deck Landing With Guaranteed Timing Using Shrinking-Horizon Model Predictive Control

📄 arXiv: 2602.22714 📥 PDF

作者: Philipp Schitz, Paolo Mercorelli, Johann C. Dauer

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2026-02-28

💡 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 鲁棒控制 自主导航

📋 核心要点

  1. 现有方法难以保证直升机在移动船甲板上着陆的精度和时间约束，尤其是在存在强扰动的情况下。
  2. 论文提出基于收缩时域模型预测控制（SHMPC）的算法，结合触地控制器和扰动反馈，保证着陆时间和精度。
  3. 仿真结果表明，该方法在强风下能实现高精度着陆，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，推导了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并具有合适的终端条件。我们的方法在仿真中得到了验证，其中所有操作都在强风中实现了高着陆精度，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、预定时间和操作约束，鲁棒性不足。

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）进行轨迹规划，结合触地控制器实现精确着陆，并引入扰动反馈的辅助控制器来提高抗扰动能力。通过这种方式，即使存在外部扰动，也能保证直升机在预定时间内安全着陆。

技术框架：整体框架包含三个主要模块：1) 规划模型：推导捕捉直升机非线性动力学的规划模型。2) SHMPC控制器：利用SHMPC进行轨迹规划，生成满足时间和操作约束的轨迹。3) 触地控制器：在着陆阶段，使用触地控制器实现精确着陆。此外，还设计了一个具有扰动反馈的辅助控制器，用于提高系统的抗扰动能力。

关键创新：论文的关键创新在于将SHMPC与触地控制器和扰动反馈相结合，实现了一种鲁棒的直升机自主着陆方法。SHMPC能够在线优化轨迹，适应动态环境；触地控制器保证着陆精度；扰动反馈则提高了系统的抗扰动能力。这种组合使得系统能够在强风等恶劣条件下实现安全、精确的着陆。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 规划模型的选择，需要能够准确描述直升机的动力学特性。2) SHMPC的优化目标函数和约束条件，需要同时考虑着陆精度、时间和操作约束。3) 触地控制器的设计，需要保证着陆过程的平稳性和安全性。4) 扰动反馈控制器的设计，需要能够有效地抑制外部扰动的影响。具体的参数设置和损失函数等细节在论文中进行了详细描述（具体数值未知）。

📊 实验亮点

仿真结果表明，所提出的方法在强风条件下能够实现高精度着陆，同时满足时间和操作约束。具体的性能数据（例如着陆精度、时间误差等）在论文中进行了详细的量化分析（具体数值未知），证明了该方法在恶劣环境下的鲁棒性和有效性。该方法的最大计算时间在毫秒范围内，表明其具有良好的实时性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于无人直升机在舰船、海上平台等移动平台上进行物资补给、人员运输、搜救等任务。在军事和民用领域都具有重要的应用价值，能够提高任务效率和安全性，降低人员风险。未来可进一步扩展到更复杂的环境和任务场景，例如在恶劣天气条件下进行自主着陆。

📄 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.