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带爪无人机自主控制技术新进展

中国科学：技术科学 2024年第8期54卷 1533-1548页

作者：段海滨王壮壮霍梦真孙永斌北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院飞行器控制一体化技术重点实验室仿生自主飞行系统研究组北京100083

带爪无人机因同时具备作业机构的高精度操作能力和无人机的灵活机动性而被广泛关注.随着带爪无人机应用需求的增加和能力边界的拓展,国内外学者对其关键技术的研究日趋深入.本文对带爪无人机的作业机构构型、建模和控制方面的代表性研... 详细信息

带爪无人机因同时具备作业机构的高精度操作能力和无人机的灵活机动性而被广泛关注.随着带爪无人机应用需求的增加和能力边界的拓展,国内外学者对其关键技术的研究日趋深入.本文对带爪无人机的作业机构构型、建模和控制方面的代表性研究进展进行了讨论分析,并分别从作业机构和无人机平台角度阐述了其演变历程,将带爪无人机的建模方法分为整体建模法和独立建模法,在自主控制方面归纳了目前所研究的经典控制及机器学习方法,并分析了其优缺点.讨论了带爪无人机自主控制的技术难点和痛点,并对其未来发展方向进行了展望.

关键词：带爪无人机作业机构无人机平台动力学建模自主控制

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缓冲行走一体式月面探测器性能分析与优化

北京航空航天大学学报 2024年第8期50卷 2547-2556页

作者：何天宇董洋周士明赵军鹏王春洁北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室北京100191

针对缓冲行走一体式月面探测器将着陆缓冲与月面行走功能融为一体,导致设计优化困难的问题,提出一种综合考虑缓冲特性和行走特性的性能分析与优化方法。根据月面探测器着陆腿的功能需求,设计了构型为RUP-2RUPS的冗余自由度并联机构,并... 详细信息

针对缓冲行走一体式月面探测器将着陆缓冲与月面行走功能融为一体,导致设计优化困难的问题,提出一种综合考虑缓冲特性和行走特性的性能分析与优化方法。根据月面探测器着陆腿的功能需求,设计了构型为RUP-2RUPS的冗余自由度并联机构,并建立其参数化模型,该构型可通过运动副生效或失效实现缓冲和行走2种功能的构型切换。结合全因子实验方法分析月面探测器的两功能运动学特性与动力学特性,依据月面复杂着陆和行走工况,给出综合优化的目标函数和约束条件。在敏感度分析的基础上,利用随优化过程更新的全工况响应面模型与非劣排序遗传算法,完成月面探测器着陆腿构型参数的优化。所提方法在提高运算效率的同时,保证了每轮优化均能筛选出当前构型的最恶劣着陆工况,并计算其极限值。优化后,最大有效工作空间增加了8.7%,抗翻倒性能最小值提高了4.0%,抗底面触月性能最小值提高了0.2%,整体性能更优。

关键词：月面探测器运动学分析动力学分析响应面模型优化设计

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有人/无人机智能协同:机遇与挑战

中国科学：技术科学 2024年第5期54卷 968-978页

作者：吕金虎冉茂鹏王成才王小谟北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 中关村实验室北京100194 中国电子科技集团有限公司电子科学研究院北京100041

随着无人机智能化水平的不断提升,人工智能驱动的有人/无人机协同有望成为未来战争新的制高点,其核心技术亟待突破.本文综述了有人/无人机智能协同面临的主要机遇与挑战,系统梳理了人工智能在有人/无人机协同体系结构、协同感知、协同... 详细信息

随着无人机智能化水平的不断提升,人工智能驱动的有人/无人机协同有望成为未来战争新的制高点,其核心技术亟待突破.本文综述了有人/无人机智能协同面临的主要机遇与挑战,系统梳理了人工智能在有人/无人机协同体系结构、协同感知、协同决策、协同控制以及评价体系等关键领域的研究现状,并重点介绍了深度学习可解释性、牵制协同控制、有限网络带宽协同控制的新进展.最后,总结了有人/无人机协同的主要发展趋势,即智能化水平更高、复杂环境适应能力更强、博弈对抗能力更强、安全性更高等.

关键词：有人/无人机协同人工智能智能协同分布式协同作战

倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积可视化计算方法

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北京航空航天大学学报 2024年第8期50卷 2492-2502页

作者：宋伟王琦何国毅北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 南昌航空大学飞行器工程学院南昌330063

机翼滑流区面积计算是进行倾转旋翼飞行器旋翼与机翼气动干扰分析的关键,针对倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积计算,基于CATIA二次开发和参数化设计技术,结合气动计算和三维几何图形运算,提出一种可视化计算方法,其能够在考虑机翼和旋翼参... 详细信息

机翼滑流区面积计算是进行倾转旋翼飞行器旋翼与机翼气动干扰分析的关键,针对倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积计算,基于CATIA二次开发和参数化设计技术,结合气动计算和三维几何图形运算,提出一种可视化计算方法,其能够在考虑机翼和旋翼参数影响的情况下,准确计算机翼滑流区面积,并且能够直观地确定机翼滑流区区域及机翼滑流区随各项参数的动态变化过程。通过基于XV-15倾转旋翼飞行器参数进行实例计算和分析,结果表明:机翼安装角、后掠角、上反角等机翼参数在纵向和侧向分析时对机翼滑流区面积影响较小;旋翼后倒角、侧倒角及旋翼主轴侧倾角等旋翼参数对机翼滑流区面积影响较大;在不考虑旋翼后倒角和侧倒角的情况下,采用所提方法对XV-15倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积进行计算,计算精度最大可提升18.976%。

关键词：倾转旋翼飞行器机翼滑流区可视化计算 CATIA二次开发参数化设计

基于改进ABC算法的有-无人协同空战行为建模

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系统仿真学报 2024年

作者：王鹏刘昊雨李妮于泽熙贾尚杰北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院航空工业沈阳飞机设计研究所

为解决典型有-无人机空战场景下建立协同行为模型困难，模型对抗能力较弱的问题，提出了基于混合决策方式的有人-无人机行为建模框架，通过协同规则集、规则子集、战术动作集等工具在该框架下构建了支持推磨战术、单边迂回战术等5种协... 详细信息

为解决典型有-无人机空战场景下建立协同行为模型困难，模型对抗能力较弱的问题，提出了基于混合决策方式的有人-无人机行为建模框架，通过协同规则集、规则子集、战术动作集等工具在该框架下构建了支持推磨战术、单边迂回战术等5种协同战术的分层决策协同行为模型，为优化战术动作集参数以获得较佳对抗效果，提出了一种基于改进人工蜂群算法(artificial bee colony， ABC)的行为模型参数优化方法。利用梅森旋转法初始化种群，得到更优的初始蜜源，并改善侦察蜂阶段的探索策略，针对空战场景提高了算法的全局探索能力和搜索效率。结果表明：在典型空战对抗场景下进行仿真验证，该协同行为模型具备较强的对抗能力，利用改进ABC算法对战术动作集的参数进行优化，可以提升行为模型构建效率和对抗效果。

关键词：行为建模有-无人机协同分层决策参数优化战术动作集

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材料研究中的可解释机器学习

金属学报 2024年第10期60卷 1345-1361页

作者：王冠杰刘盛咸周健孙志梅北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191

随着人工智能(AI)技术的迅速发展,机器学习在材料研发与设计中发挥着越来越重要的作用。传统机器学习模型往往为“黑盒”模型,限制了科研人员对模型决策过程的理解和信任。而可解释机器学习(XML)可以揭示机器学习模型的内部机制,提供对... 详细信息

随着人工智能(AI)技术的迅速发展,机器学习在材料研发与设计中发挥着越来越重要的作用。传统机器学习模型往往为“黑盒”模型,限制了科研人员对模型决策过程的理解和信任。而可解释机器学习(XML)可以揭示机器学习模型的内部机制,提供对模型决策过程的洞察。本文从可解释机器学习的基础知识出发,概述了可解释机器学习方法的发展历程和重要里程碑,以及可解释机器学习在人工智能领域的定位和需要遵守的F.A.S.T.原则;进一步介绍了模型内部结构可解释和外部评估模型可解释的2大类可解释机器学习方法及其在材料学中的应用案例。特别地,本团队提出的可解释符号回归和可视化机器学习方法将为材料研发与设计提供新的工具。最后,展望了可解释机器学习在材料学领域的潜在发展方向。

关键词：可解释机器学习材料基因工程符号回归

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空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证

北京航空航天大学学报 2024年第3期50卷 814-820页

作者：孙晋川康昌玺谢永齐马动涛李生华崔晓杰兰州空间技术物理研究所兰州730000 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

中国空间站高温材料科学实验系统(HTMSES)是中国新一代的可长期在轨运行的综合型多功能空间材料实验装置,其组成复杂、布局紧凑、实验温度高、部组件散热困难,使热控设计难度较大。基于液冷主动控温、辐射间接控温、结构热控一体化协同... 详细信息

中国空间站高温材料科学实验系统(HTMSES)是中国新一代的可长期在轨运行的综合型多功能空间材料实验装置,其组成复杂、布局紧凑、实验温度高、部组件散热困难,使热控设计难度较大。基于液冷主动控温、辐射间接控温、结构热控一体化协同优化设计等多种思路对热控组件进行设计,有效解决热控难题。利用有限元分析软件计算科学实验系统热设计的温度结果;然后开展加热实验对热设计方案进行验证。数据显示HTMSES在提供材料制备所需要的最严苛实验工况(1200℃)情况下,各关键部件处于友好的温度范围内,其中电机最高温度为42.2℃,编码器最高温度为40.6℃,丝杠最高温度为62.4℃,滑块最高温度为59.6℃,导轨最高温度为57.3℃,科学实验系统皮肤可触及部位最高温度为31.6℃,各温度结果均满足热控指标要求,表明设计方案合理可行,为同类型设备热设计提供了一种设计思路和参考依据。

关键词：高温材料科学实验系统热控设计液冷主动控温辐射间接控温热实验

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声光光谱仪的光谱及辐射标定方法

光学学报 2024年第9期44卷 274-283页

作者：成驰赵慧洁郭琦李然北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 北京航空航天大学青岛研究院山东青岛266104 北京航空航天大学人工智能研究院北京100191 北京航空航天大学“空天光学-微波一体化精准智能感知”工业和信息化部重点实验室北京100191

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的红外光谱仪须在宽温度范围内具备光谱响应稳定性,以保证光谱数据精度。然而,随环境温度变化,声光光谱仪存在光谱漂移和系统辐射响应漂移,造成光谱数据偏差。现有声光光谱仪辐射定标研究虽然考虑了辐射响应... 详细信息

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的红外光谱仪须在宽温度范围内具备光谱响应稳定性,以保证光谱数据精度。然而,随环境温度变化,声光光谱仪存在光谱漂移和系统辐射响应漂移,造成光谱数据偏差。现有声光光谱仪辐射定标研究虽然考虑了辐射响应受温度的影响,但并未在辐射定标前修正光谱漂移,导致辐射定标结果不准确。本文提出了一种修正温度影响的光谱及辐射标定方法。首先,建立了引入温度变量的AOTF器件调谐模型,在光谱定标中修正温度造成的光谱漂移,实现了变温辐射定标过程中的波长追踪;然后再求得含温度变量的光谱辐射定标系数,完成辐射定标。依托实验室搭建的中波红外AOTF光谱成像温度修正标定验证系统,在-30~50℃温度区间验证了标定方法的有效性。低温-30℃处的平均驱动频率偏差从41.1 kHz降低至0.29 kHz,修正后光谱辐射量与理论值偏差在低温区间显著降低。

关键词：中波红外光谱仪声光可调谐滤波器温度漂移辐射定标

基于灰盒模型的可变刚度骨科手术夹持器参数优化设计

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医用生物力学 2024年第S1期 488-489页

作者：黄皓刘子钰史震云王田苗北京航空航天大学医学科学与工程学院北京航空航天大学机械工程及自动化学院

目的本研究旨在利用灰盒模型方法,对基于颗粒阻塞原理的可变刚度骨科手术夹持器进行参数优化设计,以提供一种有效的手术夹持防护方案,用于骨科手术中手术病人的夹持防护。方法提出了灰盒模型方法,结合了基于虚功原理的白盒模型与基于...

目的本研究旨在利用灰盒模型方法,对基于颗粒阻塞原理的可变刚度骨科手术夹持器进行参数优化设计,以提供一种有效的手术夹持防护方案,用于骨科手术中手术病人的夹持防护。方法提出了灰盒模型方法,结合了基于虚功原理的白盒模型与基于机器学习的黑盒模型,用于一种可变刚度骨科手术夹持器的参数优化设计。该方法通过量化基于颗粒阻塞原理的可变刚度机构的力学响应,克服了传统模型中的预测偏差,实现了对可变刚度机构力学响应性能的高精度预测。采用浅层神经网络拟合非线性函数特性,解决了可变刚度机构固有的非线性和不确定性问题,实现了高效率、高精度的可变刚度骨科手术夹持器的参数优化设计。结果通过对一种可变刚度骨科手术夹持器的设计参数进行优化,并在实验中验证,验证了灰盒模型方法在一种可变刚度骨科手术夹持器设计参数优化方面的实用性和效率。该方法可以平衡夹持器的柔顺性与牢固性,为骨科手术中手术病人提供可靠的临时夹持防护。结论本研究提出的灰盒模型方法为优化一种可变刚度骨科手术夹持器设计提供了新思路,具有广泛的应用潜力。

关键词：