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受最速降线启发的水下滑翔机运动轨迹设计

机械工程学报 2023年

作者：吴宏宇牛文栋宋扬郝宇星王树新阎绍泽清华大学机械工程系清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室

水下滑翔机作为一种低能耗海洋探测平台，近年来受到广泛关注。随着技术日渐成熟，滑翔机应用场景持续拓展。面向水下定点探测任务，受最速降线问题中物块驱动原理启发，研究了滑翔机运动轨迹创新设计方案。在水流强度较大浅水区域，滑... 详细信息

水下滑翔机作为一种低能耗海洋探测平台，近年来受到广泛关注。随着技术日渐成熟，滑翔机应用场景持续拓展。面向水下定点探测任务，受最速降线问题中物块驱动原理启发，研究了滑翔机运动轨迹创新设计方案。在水流强度较大浅水区域，滑翔机将净浮力调为较大值，获得足够速度，快速通过该区域，保证运动精度。在水流强度较弱深水区域，滑翔机将净浮力调为较小值，同时调节可动质量块位置、减小俯仰角，获得足够水平位移。在此基础上，基于动力学模型和第二代非劣排序遗传算法开展了滑翔机控制参数优化以确定最优轨迹设计方案，优化目标是最小化滑翔机到达目标探测区域的位置误差和能耗，约束条件是位置误差和运动时长不超过许用值。以“海燕Ⅱ”水下滑翔机为研究对象开展仿真研究，数值算例表明，所提出轨迹设计方案比滑翔机传统工作模式更适合水下定点探测任务。

关键词：水下滑翔机动力学分析轨迹设计控制参数优化运动精度

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RLV双层迭代末端能量管理段轨迹设计方法

飞行力学 2023年第1期41卷 54-62页

作者：郭杰郭阳王肖李梦婷唐胜景北京理工大学宇航学院北京100081 中国运载火箭技术研究院北京100076 中国船舶集团有限公司系统工程研究院北京100094

针对可重复使用运载器末端能量管理段初始状态存在大范围摄动问题,提出一种双层迭代末端能量管理段轨迹设计方法。首先,将地面轨迹设计问题简化为求两直线公切圆问题,仅需改变单一参数即可大范围调节航程,得到可行地面轨迹;针对纵向平面... 详细信息

针对可重复使用运载器末端能量管理段初始状态存在大范围摄动问题,提出一种双层迭代末端能量管理段轨迹设计方法。首先,将地面轨迹设计问题简化为求两直线公切圆问题,仅需改变单一参数即可大范围调节航程,得到可行地面轨迹;针对纵向平面,提出双层迭代轨迹设计算法,内层迭代剖面参数保证飞行器满足末端状态约束,外层迭代地面轨迹参数改变航程。然后,提出了制导方法和双层迭代校正算法,并开展了仿真计算及分析。研究结果表明,在初始状态存在大范围散布情况下,所提算法均可得到满足需求的地面轨迹和纵向剖面参数,保证飞行器顺利到达自动着陆窗口,末端状态误差较小,具备较强的鲁棒性。

关键词：可重复使用运载器末端能量管理段轨迹设计双层迭代

无人机协同计算网络的轨迹设计与资源优化研究

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无人机协同计算网络的轨迹设计与资源优化研究

作者：李泽武华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着通信技术的发展与移动设备的普及,大量计算任务出现在移动设备中。然而,移动设备受到体积与功率等因素限制导致其资源并不足以满足需求。为了在资源有限条件下完成任务,移动设备采用了将任务卸载到资源充足的服务器中完成的云计算... 详细信息

随着通信技术的发展与移动设备的普及,大量计算任务出现在移动设备中。然而,移动设备受到体积与功率等因素限制导致其资源并不足以满足需求。为了在资源有限条件下完成任务,移动设备采用了将任务卸载到资源充足的服务器中完成的云计算模式。但是传统的云计算架构中服务器与用户距离较远,导致通信的时间成本高,对时延敏感性任务不友好。为了提升服务质量,出现了移动边缘计算(Mobile edge computing,MEC)的概念。其通过将服务器部署在网络边缘侧为用户提供计算服务,能够有效降低能耗与时延。基于移动性与网络覆盖上的优势,无人机(Unmanned aerial vehicle,UAV)作为一种新的移动平台引起了极大的关注。利用UAV移动性强,成本低等特点建立基于UAV平台的MEC 网络,在增加覆盖面积的同时满足了低延迟的要求。然而在实际应用中,受到功率等因素的限制,UAV的负载能力与运行时间无法充分满足需求。为此,在本文中采用了计算能力更强、覆盖范围更广的UAV协同网络为地面设备服务。此外,在实际中,随着设备数量的增加任务类型也越来越多。UAV必须缓存计算程序才能完成对应类型任务。因此多类型任务场景中UAV协同网络的卸载与资源分配方案有很大研究价值。本文研究了一个由基站和多个UAV组成的协同网络的卸载方案并建立了一个联合卸载决策、任务调度、位置部署与资源分配的优化问题。随后提出了一个在满足UAV资源限制的前提下实现最小完成时延的优化方案。仿真结果证明,该方案在减少时延方面具有更好的表现。此外,在缺少基础设施的区域内,具有快速机动能力的UAV能发挥巨大的作用。在这些区域内UAV不足以同时覆盖所有地面设备。因此,本文研究了一个基于任务感知的多UAV协同网络的轨迹优化与资源分配方案。在该方案中多个UAV沿着各自轨迹移动为地面设备提供通信与计算资源。为了最小化任务完成时间,建立了一个联合UAV轨迹设计、访问决策与资源分配的优化问题。最后为了解决该问题,提出了一种基于深度强化学习的轨迹设计与资源分配方案。仿真结果表明,所提算法有效降低了多UAV协同网络的任务完成时间。

关键词：移动边缘计算无人机协同网络任务卸载轨迹设计资源分配

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基于移动能量采集与数据传输的智能轨迹设计

基于移动能量采集与数据传输的智能轨迹设计

作者：冯艳菊浙江师范大学

学位级别：硕士

能量收集技术（Energy Havesting,EH）使无线传感网络（Wireless Sensor Networks,WSNs）能够自我可持续化发展,以保持其长期关键性能指标,如数据吞吐量和传感覆盖能力等。以往的研究都是假设系统信息（例如,传感器位置、通道参数和未... 详细信息

能量收集技术（Energy Havesting,EH）使无线传感网络（Wireless Sensor Networks,WSNs）能够自我可持续化发展,以保持其长期关键性能指标,如数据吞吐量和传感覆盖能力等。以往的研究都是假设系统信息（例如,传感器位置、通道参数和未来能量到达的数量）是可访问的,在此基础上,轨迹设计可以被公式化为常规优化问题。然而,在实际场景中,由于环境的高度动态性和复杂性,导致系统信息很难获取,甚至无法明确预测,这一问题给基于能量收集的无线传感器网络的发展提出了新的挑战。针对上述问题,本文设计了一种用于移动传感器能量采集和数据传输的智能轨迹设计方法,促进了基于能量收集的无线传感网络长期收集数据方法的发展。具体来说,本文将无线传感网络视为一个二维矩形区域,移动传感器（Mobile Sensor,MS）可以从周围环境中收集能量,同时将收集到的数据发送到固定接收器。由于环境能源的随机性和不可预测性,移动传感器在每个时隙收集到的能量在无线传感器网络中呈现出时空动态性,移动传感器无法接收到稳定的能源,严重影响了移动传感器到数据接（sink）的数据吞吐量性能。为了最大限度地提高移动传感器到数据接收器（MS-to-sink）的长期平均数据吞吐量,仔细设计移动传感器的移动轨迹尤为重要。由于能量到达信息以及能源的位置信息未知,本文将问题转化为马尔科夫决策过程,使用无模型的强化学习算法进行求解,特别地,采用深度确定性策略梯度算法来处理连续确定性的运动空间问题。采用深度神经网络算法来处理非连续决策性问题。主要工作如下:（1）本文的第一部分提出了基于深度确定性策略梯度算法的移动能量采集和数据传输的智能轨迹优化,这也是第一次尝试将深度确定性策略梯度算法和无线传感网结合来优化能量收集、节点移动和数据传输问题。本文设计了一种连续移动模型,该模型能够适应具有动量的真实物理环境,其中移动传感器在该环境中进行能量采集并将收集到的能量用于数据的传输,移动的过程中传感器的移动速度和旋转角度可以在一定范围内任意取值。在每个时隙中,为了使传感器更好的移动,开发了时间相关的探索策略以适应具有惯性的移动传感器物理控制过程,从而提高探索效率。提出的基于深度确定性策略梯度的训练算法使移动传感器能够通过仅跟踪每个时隙中聚合接收能量的量来识别最佳移动轨迹,从而实现最大化的长期平均移动传感器到接收器数据吞吐量。所提出的训练模型开启了在几乎没有外部信息的情况下全面理解EH-WSNs中物理控制问题的第一步。仿真结果证明了所提出的训练算法的有效性,无论移动传感器的初始位置和接收器的位置如何。单位距离的高移动成本可能会阻碍移动传感器识别最佳移动轨迹,这会导致次优解。（2）本文的第二部分提出了基于深度神经网络算法的移动能量采集和数据传输的智能轨迹优化。首先将移动传感器的动作离散化,使得移动传感器可以在上、下、左、右、左上、左下、右上、右下八个方向上进行移动,或保持在原位置。在每一个时隙,移动传感器可以识别并移动到最优位置,这些位置连接起来形成一条轨迹。这一运动轨迹问题则变为非连续性决策问题,本文使用深度神经网络算法去解决。提出的基于深度神经网络算法在不知道外部信息的情况下,通过仅根据智能追踪聚合接收的能量的强弱来学习和优化轨迹。本节将考虑移动传感器不同初始位置和移动成本对轨迹的影响。同时在同等条件下做了对比实验,研究两种算法下移动传感器到数据接收器的数据吞吐量以及是否都能找到最佳收集位置。实验结果表明,在有限的步数里,两种算法训练的模型都能收敛,但深度确定性策略梯度算法收敛速度要比深度神经网络算法更快,且效果更加稳定,由此,本文得出结论是移动传感器更适合在连续动作空间下移动,这也更符合实际情况,选择深度确定性算法来解决本文提出的轨迹优化问题也更加合理。

关键词：无线传感网络能量采集轨迹设计深度确定性策略梯度算法深度神经网络算法

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航天器近距离相对运动轨迹设计与控制

宇航学报 2009年第5期30卷 1834-1841页

作者：朱彦伟杨乐平国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

航天器近距离相对运动是当前航天领域的重要研究热点。针对圆(近圆)轨道目标航天器,综合利用C-W方程、脉冲控制和优化理论,系统地解决了航天器相对运动的轨迹设计与控制问题。从C-W方程解析解出发,给出了自然轨迹和受限轨迹的数学描述;... 详细信息

航天器近距离相对运动是当前航天领域的重要研究热点。针对圆(近圆)轨道目标航天器,综合利用C-W方程、脉冲控制和优化理论,系统地解决了航天器相对运动的轨迹设计与控制问题。从C-W方程解析解出发,给出了自然轨迹和受限轨迹的数学描述;以此为基础,考虑碰撞避免,研究了全局绕飞轨迹和局部限制轨迹的设计与控制。对于全局绕飞轨迹,研究提出了自然椭圆绕飞、自然螺旋绕飞、单脉冲"水滴"形绕飞、多脉冲圆形绕飞和多脉冲"田径场"形绕飞五种轨迹模式;对于局部限制轨迹,研究提出了自然椭圆V-bar限制轨迹、单脉冲R-bar限制轨迹和多脉冲任意方位限制轨迹三种模式。分析了每种轨迹模式的形成过程和能量消耗,给出了每种轨迹的设计参数,利用仿真算例验证了有效性。此外,对多脉冲圆形绕飞轨迹和多脉冲任意方位限制轨迹,建立了脉冲位置和脉冲时间间隔的优化模型。

关键词：航天器相对运动绕飞轨迹设计脉冲控制优化

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带有时间约束的再入滑翔轨迹设计

宇航学报 2020年第4期41卷 438-446页

作者：韩嘉俊王小虎郝昀张后军北京机电工程总体设计部北京100854 中国航天科工集团有限公司第二研究院北京100854 北京控制与电子技术研究所北京100038

为了满足飞行器协同飞行任务需求,本文研究了带有时间约束的再入滑翔轨迹设计方法。首先,建立了合理假设条件下的再入滑翔运动模型,并且提出了一种再入滑翔轨迹分段方法。其次,针对不同飞行段特点及任务需求,分别设计了各段导引律。其中... 详细信息

为了满足飞行器协同飞行任务需求,本文研究了带有时间约束的再入滑翔轨迹设计方法。首先,建立了合理假设条件下的再入滑翔运动模型,并且提出了一种再入滑翔轨迹分段方法。其次,针对不同飞行段特点及任务需求,分别设计了各段导引律。其中,重点推导了滑翔段飞行剩余时间和剩余航程的解析解,将剩余飞行时间与末制导交班点速度建立对应关系,运用解析预测-校正思想,通过在时间调整段和能量调整段调节倾侧角翻转时机和幅值,同时满足末端能量和时间约束。最后,通过理论分析与仿真校验说明了本方法的有效性及鲁棒性。

关键词：滑翔飞行轨迹设计滑翔制导剩余飞行时间协同飞行

基于增量控制的型材拉弯轨迹设计及有限元仿真

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吉林大学学报（工学版） 2019年第4期49卷 1272-1279页

作者：张学广贾明萌刘纯国何广忠中车长春轨道客车股份有限公司工程规划发展部长春130051 吉林大学辊锻工艺研究所长春130022 吉林交通职业技术学院汽车工程学院长春130012

根据型材拉弯设备结构和成形工况,将夹钳加载量等效为拉伸缸沿转臂的拉伸量和转臂的转角,并提出了一种基于增量控制的型材拉弯轨迹设计方法。通过沿轴线方向将型材目标形状划分成多个成形段,并求解出每个成形段对应的拉伸增量和转角增量... 详细信息

根据型材拉弯设备结构和成形工况,将夹钳加载量等效为拉伸缸沿转臂的拉伸量和转臂的转角,并提出了一种基于增量控制的型材拉弯轨迹设计方法。通过沿轴线方向将型材目标形状划分成多个成形段,并求解出每个成形段对应的拉伸增量和转角增量,实现型材拉弯成形中加载量的独立分配与控制。以轨道车辆车顶乙形不锈钢弯梁作为研究对象,建立了一种基于连接器单元的型材拉弯有限元模型,并将计算得到的加载增量应用于工件成形效果仿真中,实现了拉弯轨迹的参数化调控。根据仿真结果中工件的形状误差与表面翘曲量分析了拉弯缺陷的成因,并对拉弯轨迹进行了针对性的修正,提升了工件成形效果。采用修正后的拉弯轨迹进行工件成形试验,仿真结果与试验结果相吻合。

关键词：材料合成与加工工艺型材拉弯轨迹设计增量控制数值模拟

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机-弹双基前视SAR俯冲段轨迹设计方法

系统工程与电子技术 2019年第4期41卷 752-758页

作者：梅海文李亚超邢孟道全英汇宋炫西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室陕西西安710071 西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心陕西西安710071

机-弹双基前视合成孔径雷达(airplane-missile bistatic forward-looking synthetic aperture radar,AMBFL-SAR)为协同作战中导弹俯冲末段全程二维高分辨成像的精确制导提供了解决方案。由于机-弹平台相差甚远的动态特性,传统单一平台... 详细信息

机-弹双基前视合成孔径雷达(airplane-missile bistatic forward-looking synthetic aperture radar,AMBFL-SAR)为协同作战中导弹俯冲末段全程二维高分辨成像的精确制导提供了解决方案。由于机-弹平台相差甚远的动态特性,传统单一平台近似规划方法已不再适用。针对该问题,首先分析了AMBFL构型下的二维分辨特性,得出不同弹目距处的主要矛盾;然后在二维分辨率和分辨单元面积双重指标约束下,利用发射机参数对系统分辨能力的影响规律,提出飞机飞行轨迹设计方法。该方法设计出的轨迹可有效满足成像指标要求,且利于各平台的制导控制。最后,通过仿真结果验证了该算法的有效性。

关键词：机-弹双基前视合成孔径雷达精确制导轨迹设计分辨率特性

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风场综合利用的新型平流层浮空器轨迹设计

宇航学报 2019年第7期40卷 748-757页

作者：邓小龙丛伟轩李魁杨希祥国防科技大学空天科学学院

针对平流层底部准零风层特点,提出一种基于风场综合利用进行长时区域驻空的新型平流层浮空器,系统采用南瓜形超压气球体制,建立系统的浮重模型、推阻模型和能源模型,利用迭代算法完成了总体方案设计。在此基础上,建立动力学模型和高度... 详细信息

针对平流层底部准零风层特点,提出一种基于风场综合利用进行长时区域驻空的新型平流层浮空器,系统采用南瓜形超压气球体制,建立系统的浮重模型、推阻模型和能源模型,利用迭代算法完成了总体方案设计。在此基础上,建立动力学模型和高度调控模型,针对我国某地风场模型,设计东西、南北方向独立控制区域驻留策略以及基于风场综合利用的协同控制区域驻留策略,通过SIMULINK模块开展区域驻留仿真,并对五种控制模式下的飞行轨迹进行对比分析。

关键词：平流层浮空器准零风层区域驻留轨迹设计