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喷气驱动航天器姿态控制强化学习算法及实验

宇航学报 2024年第6期45卷 903-913页

作者：杜德嵩刘延芳袁秋帆赵福友齐乃明哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 上海宇航系统工程研究所上海201109

针对喷气驱动航天器在推力幅值受限条件下的姿态控制问题,提出一种姿态控制强化学习算法。该算法包含两个神经网络,即控制策略网络和李雅普诺夫神经网络。其中,控制策略网络直接以喷气推力器的推力作为输出,训练数据中推力满足幅值约束... 详细信息

针对喷气驱动航天器在推力幅值受限条件下的姿态控制问题,提出一种姿态控制强化学习算法。该算法包含两个神经网络,即控制策略网络和李雅普诺夫神经网络。其中,控制策略网络直接以喷气推力器的推力作为输出,训练数据中推力满足幅值约束条件,隐式地解决推力分配优化和控制量饱和问题;设计姿态控制强化学习算法,并引入基于样本数据的航天器姿态稳定性定理,保证学习得到的控制策略的稳定性。仿真结果表明,与主流的强化学习算法和传统姿态控制方法相比,所提出的姿态控制算法在敏捷性方面表现出显著优势。此外,将控制策略移植到半物理仿真平台,控制策略能够有效完成航天器的大角度机动任务,从而证明了通过所提出的姿态控制算法训练得到的控制策略具有良好的泛化性和鲁棒性。

关键词：强化学习姿态控制李雅普诺夫函数半物理仿真

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基于强化学习空间机械臂智能捕获控制策略研究

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基于强化学习空间机械臂智能捕获控制策略研究

作者：杜德嵩哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着社会的发展对航天器的需求日益增加,在轨运行的航天器数目越来越多,在轨服务技术将充分展现其战略军事价值和显著民用经济效益。捕获空间目标是空间机械臂在执行各种在轨服务任务中至关重要的环节,然而空间机械臂系统动力学特性复杂... 详细信息

随着社会的发展对航天器的需求日益增加,在轨运行的航天器数目越来越多,在轨服务技术将充分展现其战略军事价值和显著民用经济效益。捕获空间目标是空间机械臂在执行各种在轨服务任务中至关重要的环节,然而空间机械臂系统动力学特性复杂,难以建立精确的动力学模型,导致控制系统难以实现较好的控制效果。目前,随着人工智能技术的不断发展,依靠数据驱动的智能控制算法相继被提出,具有无需对系统进行数学建模的特点。因此,本文将强化学习方法应用在空间机械臂捕获过程控制中,分别提出深度强化学习捕获控制方法和基于模型强化学习控制方法。论文完成的主要工作及获得的结论如下:首先,建立了空间机械臂的虚拟仿真环境。以空间机械臂捕获漂浮目标作为研究任务,在V-rep仿真平台中建立空间机械臂仿真环境,用于强化学习训练以及进行动力学仿真分析;并设计一种传统捕获控制方法,并进行仿真分析,用于与基于强化学习捕获控制方法进行比较;然后,提出深度强化学习捕获控制方法。采用“预训练”思想并基于深度确定性策略方法设计捕获控制方法,在仿真环境中训练实现了对空间目标的捕获任务;同时与无“预训练”环节的捕获控制方法比较,“预训练”表现出在训练阶段能够大幅度提高样本学习效率;最后,提出基于模型强化学习捕获控制方法。针对深度强化学习样本学习效率低的问题,提出以PILCO算法为主要框架的捕获控制方法,通过少数回合训练即可得到捕获控制策略;并将基于强化学习捕获控制方法与传统捕获控制方法进行比较分析,论证基于强化学习在空间机械臂捕获过程中应用的可行性。结果表明,基于强化学习捕获控制方法在虚拟仿真环境中能够实现捕获空间目标的任务,捕获过程耗用时间明显优于传统捕获控制方法,然而在捕获过程中,控制力矩平滑性和捕获位置精度均无法到达传统捕获方法的水平。基于模型强化学习捕获控制方法训练效率要明显优于深度强化学习,很少的学习回合次数即可完成训练过程,控制效果表现出与深度强化学习捕获控制方法水平相当,因此,基于模型强化学习捕获控制方法,在空间机械臂捕获过程中应用中具有很大的应用潜力。

关键词：空间机械臂动力学仿真深度强化学习基于模型强化学习

基于深度强化学习算法的空间漂浮基机械臂抓捕控制策略

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载人航天 2020年第6期26卷 751-757页

作者：孙康王耀兵杜德嵩齐乃明哈尔滨工业大学航天工程系北京空间飞行器总体设计部

针对空间漂浮基座机械臂抓捕非合作目标控制所基于的多体系统动力学模型难以精确建立的问题,基于深度强化学习算法的控制策略,提出一种深度确定性规则策略。通过将机械臂关节控制力矩、抓捕距离以及相对速度等参数定义为高维空间向量,... 详细信息

针对空间漂浮基座机械臂抓捕非合作目标控制所基于的多体系统动力学模型难以精确建立的问题,基于深度强化学习算法的控制策略,提出一种深度确定性规则策略。通过将机械臂关节控制力矩、抓捕距离以及相对速度等参数定义为高维空间向量,并设置对应的奖励函数,驱动目标参数逼近满足抓捕条件的数值范围,在不依赖运动学模型和动力学模型的情况下,实现对非合作目标的快速逼近和抓捕。仿真算例表明:该控制算法可实现对空间漂浮基机械臂的快速抓捕控制,且能有效降低接触碰撞力的大小,提高抓捕成功率。

关键词： DRL算法空间漂浮基机械臂非合作目标抓捕控制策略奖励函数

面向空间航天器机器人学习算法研究的高保真仿真平台

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空间控制技术与应用 2023年第3期49卷 10-17页

作者：杜德嵩宋以拓刘延芳王旭齐乃明哈尔滨工业大学哈尔滨150001

针对空间航天器失重服役环境下样本数据少、实验测试难等问题,构建了一个面向空间航天器的机器人学习算法研究的高保真仿真平台.该平台依照机器人学习领域标准的数据交互模式,支持直接调用各类主流机器人学习算法库,以及按照Gym交互模... 详细信息

针对空间航天器失重服役环境下样本数据少、实验测试难等问题,构建了一个面向空间航天器的机器人学习算法研究的高保真仿真平台.该平台依照机器人学习领域标准的数据交互模式,支持直接调用各类主流机器人学习算法库,以及按照Gym交互模式开发的控制/学习算法;利用微重力模拟系统的实验数据,采用数据驱动的方式构建航天器动力学模型,用于仿真平台中的状态更新;以航天器位置姿态稳定任务为例,在所构建的仿真平台中完成了主流强化学习算法Soft Actor-Critic的训练和测试,验证了所构建的仿真平台用于机器人学习算法研究的可行性.

关键词：空间机器人机器人学习微低重力环境模拟硬件在环仿真

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基于机器学习模型的女子沙滩排球制胜因素研究

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基于机器学习模型的女子沙滩排球制胜因素研究

作者：杜德坤首都体育学院

学位级别：硕士

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地铁底架截面布局优化设计

地铁底架截面布局优化设计

作者：杜德雷大连交通大学

学位级别：硕士

氨硼烷制备的高宽厚比氮化硼纳米片及其形成机理

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材料工程 2024年第4期52卷 176-182页

作者：宋曲之王兵杜贻昂吴爽王应德国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室长沙410037

受限于商业氮化硼(BN)晶体尺寸及BN独特的层间相互作用,传统的剥离法难以实现高宽厚比(>5000)氮化硼纳米片(BNNSs)的制备。以氨硼烷为前驱体,经烧结和分离得到了高宽厚比的BNNSs。通过FTIR,TG,TEM,XRD等手段对BNNSs的组成结构及形成机... 详细信息

受限于商业氮化硼(BN)晶体尺寸及BN独特的层间相互作用,传统的剥离法难以实现高宽厚比(>5000)氮化硼纳米片(BNNSs)的制备。以氨硼烷为前驱体,经烧结和分离得到了高宽厚比的BNNSs。通过FTIR,TG,TEM,XRD等手段对BNNSs的组成结构及形成机理进行表征。结果表明:当温度超过80℃时,氨硼烷之间开始交联脱氢,氢气释放使得在交联过程中形成泡沫结构,并最终在1000℃完成无机化,得到含有BNNSs的BN泡沫,其中的膜结构即为BNNSs。所制备的BNNSs为六方晶型结构,厚度约为1.5 nm,宽度约30μm,宽厚比达到20000。将高宽厚比的BNNSs与聚乙烯醇(PVA)复合制备成复合膜,其导热及力学性能相较于小宽厚比BNNSs所制备的复合膜有显著提升,充分说明了高宽厚比BNNSs在BN基复合材料领域的应用优势。

关键词：氨硼烷氮化硼纳米片高宽厚比热导率

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激光诱导击穿光谱技术相关物理机制研究进展

中国光学（中英文） 2024年第1期17卷 19-37页

作者：刘瑞斌殷允嵩北京理工大学物理学院北京100081

激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是利用强脉冲激光与物质相互作用所产生的等离子体光谱来实现对物质组成元素定性和定量分析的一种新方法。在脉冲激光诱导等离子体的过程中,不同的激光参数(能量、脉... 详细信息

激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是利用强脉冲激光与物质相互作用所产生的等离子体光谱来实现对物质组成元素定性和定量分析的一种新方法。在脉冲激光诱导等离子体的过程中,不同的激光参数(能量、脉宽、波长)、检测过程中的环境条件以及材料本身的特性等,对激光诱导等离子体的物理机制都有不同程度的影响,进而影响LIBS定量分析的结果。本文综述了现阶段LIBS技术中包括LIBS基本原理、激光参数区别、环境和材料特性差异所涉及的物理机制。为深入理解激光与物质相互作用、提升LIBS检测能力提供了依据。

关键词：激光诱导击穿光谱(LIBS) 物理机制

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法经济学视角下的环境损害应对路径

理论探索 2024年第4期 5-11页

作者：陈海嵩兰州大学武汉大学

环境损害是指因为人类活动而对生态环境所产生的诸多不利影响，构成环境法的核心概念及基本范畴。环境损害不同于传统的环境侵权，需要拓展法学研究的视野，建立应对环境损害的多元路径，从而为法律实践提供坚实的理论基础。从法经济学... 详细信息

环境损害是指因为人类活动而对生态环境所产生的诸多不利影响，构成环境法的核心概念及基本范畴。环境损害不同于传统的环境侵权，需要拓展法学研究的视野，建立应对环境损害的多元路径，从而为法律实践提供坚实的理论基础。从法经济学角度看，环境法应对环境损害的路径选择，本质上是环境损害成本与收益的比较在法律设计上的转化与体现。具体来说，严格责任是应对环境损害的核心路径，但并不是唯一的路径，还存在损害分担路径与事前预防路径。损害分担路径包括主动分担和被动分担两种方式，需要支付高昂成本且实施效果往往存在阻碍。事前预防路径的核心是市场调控，但严格责任可以通过许多方式与市场调控加以共存，实现应对环境损害的综合效应最大化。

关键词：法经济学环境损害法律责任损害分担市场调控