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边界辅助监督的轻量化卫星部件语义分割网络

空间控制技术与应用 2024年第2期50卷 70-82页

作者：张蕴怡陈志华戴蕾何旭峰张海博华东理工大学上海200237 北京控制工程研究所北京100094 空间智能控制技术全国重点实验室北京100094

空间卫星部件的准确分割对于在轨对接及维修等具有重要意义,然而太空场景的特殊性导致卫星及其部件和太空背景的像素数量差异悬殊,同时不同部件在相邻区域难以区分.本文提出边界辅助监督的轻量化卫星部件语义分割网络(edge-auxiliary su... 详细信息

空间卫星部件的准确分割对于在轨对接及维修等具有重要意义,然而太空场景的特殊性导致卫星及其部件和太空背景的像素数量差异悬殊,同时不同部件在相邻区域难以区分.本文提出边界辅助监督的轻量化卫星部件语义分割网络(edge-auxiliary supervised components segmentation network,EASCSN),经过双分支结构提取多尺度特征和全局语义信息,并以级联形式将语义信息注入到空间特征中,采用多尺度特征聚合解码器处理编码器特征并完成部件分割.此外,为了提高网络边界感知能力,增加边界监督策略辅助训练.在公开数据集的定性与定量实验证明,本方法能在实时且轻量的前提下准确完成卫星部件语义分割,其中平均交并比达到74.74%,平均准确率达到80.99%,计算量和参数量仅为6.08GFLOPS(giga floating-point operations per second)和5.45M,在NVIDIA Tesla T4 GPU上分割速度能够达到43.29帧每秒.高效的卫星部件识别具有辅助感知目标卫星结构和完成空间任务的应用价值,并具备推广星上计算机的潜力.

关键词：卫星部件语义分割轻量化边界监督

基于安全强化学习的不确定二阶系统模型参考跟踪控制

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控制工程 2024年第1期31卷 80-87页

作者：胡一帆刘克新付俊杰温广辉东南大学数学学院江苏南京210096 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 紫金山实验室江苏南京211111

针对带有不确定性动态的二阶系统模型参考轨迹跟踪控制问题,设计了一种基于鲁棒控制障碍函数的安全强化学习算法。该算法能在学习跟踪控制器的过程中保证系统避障。首先,对具有安全约束的轨迹跟踪控制强化学习问题进行建模。其次,利用... 详细信息

针对带有不确定性动态的二阶系统模型参考轨迹跟踪控制问题,设计了一种基于鲁棒控制障碍函数的安全强化学习算法。该算法能在学习跟踪控制器的过程中保证系统避障。首先,对具有安全约束的轨迹跟踪控制强化学习问题进行建模。其次,利用高斯过程模型对未知系统动力学的估计,得到鲁棒的避障控制障碍函数条件,在该条件下得到概率意义下的系统安全性保证。最后,提出基于鲁棒控制障碍函数的安全强化学习算法,得到最优模型参考轨迹跟踪控制律。仿真结果验证了所提算法的有效性。

关键词：安全强化学习避障鲁棒控制障碍函数不确定系统跟踪控制

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时变不确定环境下力跟踪的机械臂变导纳控制

空间控制技术与应用 2024年第2期50卷 38-46页

作者：李翰源张海博北京控制工程研究所北京100094 空间智能控制技术全国重点实验室北京100094

空间机械臂操作环境是时变且不确定的,存在接触力过大造成损坏的风险,对机械臂操作柔顺性提出挑战.本文以六自由度机械臂为研究对象,针对定导纳控制在时变不确定接触环境依赖精确估计实现力跟踪的问题,研究了自适应变导纳控制.针对自适... 详细信息

空间机械臂操作环境是时变且不确定的,存在接触力过大造成损坏的风险,对机械臂操作柔顺性提出挑战.本文以六自由度机械臂为研究对象,针对定导纳控制在时变不确定接触环境依赖精确估计实现力跟踪的问题,研究了自适应变导纳控制.针对自适应变导纳控制超调过大的问题,设计了用于补偿自适应策略参数的模糊系统,提出一种自适应模糊变导纳控制方法.基于三类时变环境进行了Matlab/Simulink仿真,验证了自适应模糊变导纳控制算法的有效性.仿真结果表明提出的自适应模糊变导纳控制在时变接触环境下具有更优的力跟踪和超调抑制综合效果.

关键词：机械臂变导纳控制自适应策略模糊系统

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指向约束下有限时间航天器姿态重定向控制

空间控制技术与应用 2024年第3期50卷 52-59页

作者：关涛李彬武云丽四川大学成都610065 北京控制工程研究所北京100094

针对指向约束下的航天器姿态重定向控制问题,提出一种解析的有限时间滑模控制器.与现有渐进收敛控制算法相比,该算法具有更快的收敛速度.根据姿态机动目标和姿态指向约束建立相应的导航势函数,并在滑模面上引入势函数及其梯度信息,使得... 详细信息

针对指向约束下的航天器姿态重定向控制问题,提出一种解析的有限时间滑模控制器.与现有渐进收敛控制算法相比,该算法具有更快的收敛速度.根据姿态机动目标和姿态指向约束建立相应的导航势函数,并在滑模面上引入势函数及其梯度信息,使得航天器机动到目标姿态的过程中可以满足姿态指向约束.为严格保证滑模面外指向约束的可行性,结合滑模函数以及人工势场函数建立了新的李雅普诺夫函数.接着,基于该李雅普诺夫函数和有限时间收敛定理,设计一种控制器以实现指向约束下有限时间航天器姿态重定向控制.数值仿真表明所提控制器可以实现姿态快速收敛并确保航天器姿态指向约束的可行性.

关键词：姿态控制指向约束滑模控制有限时间收敛

面向动力学未知的高超声速飞行器过载跟踪鲁棒控制

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中国科学:信息科学 2024年

作者：郭雨岩刘源华南理工大学自动化科学与工程学院西北工业大学自动化学院

针对高超声速飞行器过载跟踪问题,分析并给出了由过载和俯仰角速度组成的非线性系统动力学,设计了有限时间预设性能控制策略以保证过载跟踪性能和精度.考虑过载系统动力学中模型的不确定性,利用神经网络估计系统未知非线性函数.为改善... 详细信息

针对高超声速飞行器过载跟踪问题,分析并给出了由过载和俯仰角速度组成的非线性系统动力学,设计了有限时间预设性能控制策略以保证过载跟踪性能和精度.考虑过载系统动力学中模型的不确定性,利用神经网络估计系统未知非线性函数.为改善神经网络学习性能,采用平行估计模型构造表征学习性能的预测误差,基于预测误差与跟踪误差设计了复合学习权重更新律,通过李雅普诺夫(Lyapunov)函数分析证明了闭环系统学习与跟踪误差的有限时间稳定性.仿真结果表明,所设计的控制策略能够实现对动力学未知函数的在线估计与过载指令的准确跟踪.

关键词：高超声速飞行器过载跟踪控制有限时间控制复合学习预设性能控制

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基于轨迹的平面气浮台质心实时标定方法

中国惯性技术学报 2019年第6期27卷 818-824页

作者：康国华王强刘奇弦吴佳奇赵腾南京航空航天大学航天学院微小卫星中心

针对微小卫星半物理仿真系统中平面气浮台质心位置变化的问题,提出了一种基于位置观测的质心标定方法。通过测量平面三轴气浮台台体上的任意三个固定点的实时运动轨迹并进行傅里叶分析,有效地将位置信号中的交流分量提取出来,获得被测... 详细信息

针对微小卫星半物理仿真系统中平面气浮台质心位置变化的问题,提出了一种基于位置观测的质心标定方法。通过测量平面三轴气浮台台体上的任意三个固定点的实时运动轨迹并进行傅里叶分析,有效地将位置信号中的交流分量提取出来,获得被测点的旋转半径,从而实时标定三轴气浮台的质心,并为气浮台惯量的标定奠定基础。数据仿真和实验结果表明,在一般的平面气浮台仿真试验环境下,可以实现5 mm的质心标定,标定精度高、误差稳定。此方法可用于变质心卫星在轨监测以及组合体卫星质心惯量的标定。

关键词：质心标定傅里叶变换平面气浮台运动轨迹转动惯量

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基于多目标优化的微纳卫星群姿态控制

空间控制技术与应用 2023年第1期49卷 21-29页

作者：缪海斌刘鸿瑾吕权修邵立珍北京科技大学北京100083 北京控制工程研究所北京100094

在微纳卫星群姿态控制中,要求多个卫星相互协同,能够快速达到期望的目标姿态,同时要求能耗最小.本文提出微纳卫星群姿态控制的多目标优化模型,以同时优化卫星姿态的角度误差和降低能耗2个性能指标函数.基于MATLAB用弹性约束法求解该优... 详细信息

在微纳卫星群姿态控制中,要求多个卫星相互协同,能够快速达到期望的目标姿态,同时要求能耗最小.本文提出微纳卫星群姿态控制的多目标优化模型,以同时优化卫星姿态的角度误差和降低能耗2个性能指标函数.基于MATLAB用弹性约束法求解该优化问题,得到了多目标优化的帕累托前沿,并给出了其相应的卫星姿态,实现了多个微纳卫星姿态机动控制和协同控制.仿真结果表明本文运用的多目标优化方法在微纳卫星姿态机动控制和协同控制中是有效的.

关键词：微纳卫星群姿态控制多目标优化弹性约束法

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基于深度学习的组合体航天器模型预测控制

宇航学报 2019年第11期40卷 1322-1331页

作者：康国华金晨迪郭玉洁乔思元南京航空航天大学航天学院

利用模型预测算法先预测控制结果后控制的类人行为特点,借助深度学习在多参数寻优上的优势,提出了一种基于卷积神经网络的模型预测控制算法,满足航天工程低硬件需求,实现组合航天器多场景下姿态控制律的重构。该算法首先利用模型预测控... 详细信息

利用模型预测算法先预测控制结果后控制的类人行为特点,借助深度学习在多参数寻优上的优势,提出了一种基于卷积神经网络的模型预测控制算法,满足航天工程低硬件需求,实现组合航天器多场景下姿态控制律的重构。该算法首先利用模型预测控制将组合航天器从初始状态控制到预期状态,然后将控制过程中状态量用于3层3核卷积神经网络的训练,训练完成后,用该卷积神经网络代替模型预测对组合航天器进行控制,从而降低计算资源需求。仿真校验表明:该算法可预测5个控制周期内的控制参数,相比传统模型预测算法所需硬件计算时间降低约5倍,在一般硬件环境下30 s内即可完成各场景下的组合航天器姿态控制,控制精度在10-4量级。

关键词：深度学习组合航天器模型预测卷积神经网络姿态控制

基于脉冲控制的航天器顺光抵近与顺光构型维持

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空间控制技术与应用 2023年第3期49卷 74-84页

作者：陆鹏飞王悦石恒汤亮北京航空航天大学宇航学院北京102206 北京控制工程研究所北京100094 空间智能控制技术全国重点实验室北京100094

研究对空间目标近距离顺光抵近与顺光构型维持的脉冲控制问题.顺光抵近指航天器保持位置近似位于目标—太阳连线上,对目标实施抵近操作.建立航天器与目标间的近距离相对运动动力学,从几何上定义顺光走廊的概念.通过一种将路径约束转化... 详细信息

研究对空间目标近距离顺光抵近与顺光构型维持的脉冲控制问题.顺光抵近指航天器保持位置近似位于目标—太阳连线上,对目标实施抵近操作.建立航天器与目标间的近距离相对运动动力学,从几何上定义顺光走廊的概念.通过一种将路径约束转化为点约束的技巧,构建描述顺光抵近过程最优脉冲控制策略的非线性规划(NLP)模型,对模型进行求解获得时间约束下脉冲消耗最小的抵近控制策略.进一步分析目标轨道坐标系下的目标—太阳连线长期变化规律,并提出一种基于控制时刻与控制位置点采样,以及动力学拟合的顺光构型维持脉冲控制方法.数值仿真验证结果表明所提出的顺光抵近与维持控制策略,能够实现航天器在满足顺光走廊约束的前提下完成对目标的顺光抵近与顺光构型维持任务.

关键词：顺光抵近顺光维持脉冲控制非线性规划动力学拟合