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深空探测中考虑乘性噪声影响的自主导航滤波算法设计

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系统工程与电子技术 2025年第1期47卷 287-295页

作者：卢山张世源侯月阳张晓彤李晴上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对深空探测任务中航天器的状态估计问题,考虑到基于光学相机的自主导航系统在建立观测方程时所使用的坐标系转换矩阵含有由星敏感器引入的测量噪声,该噪声与量测状态相互耦合,属于乘性噪声,建立带有乘性噪声的光学自主导航系统模型。... 详细信息

针对深空探测任务中航天器的状态估计问题,考虑到基于光学相机的自主导航系统在建立观测方程时所使用的坐标系转换矩阵含有由星敏感器引入的测量噪声,该噪声与量测状态相互耦合,属于乘性噪声,建立带有乘性噪声的光学自主导航系统模型。针对系统存在乘性噪声时,仅适用于处理加性噪声的传统滤波器估计误差增大的问题,将乘性噪声矩阵引入高斯滤波算法的递推公式进行推导,并结合混合阶球面单形-径向容积卡尔曼滤波器(mixed-order spherical simplex-radial cubature Kalman filter,MSSRCKF)的数值积分方法,提出混合阶容积-乘性卡尔曼滤波器(mixed-order cubature-multiplicative Kalman filter,MC-MKF)。该滤波器能够对由星敏感器引入观测方程的高斯以及非高斯乘性噪声进行处理,在不增加计算复杂度的情况下提升滤波器的估计精度。最后,将MC-MKF应用于自主导航系统模型,并与MSSRCKF进行比较分析。仿真结果表明,当系统存在乘性噪声时,MC-MKF的估计精度明显优于MSSRCKF,且计算量与MSSRCKF基本一致。

关键词：深空探测光学自主导航乘性噪声非线性滤波

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一种多模式轮腿移动机器人的设计与分析

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2025年第1期58卷 12-23页

作者：李晋馥于泽连宾宾天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300350

移动机器人作为智能勘探与侦察的自动化装备,在航天探测、抢险救灾等领域具有广阔的应用前景.轮腿式移动机器人因具有良好的机动性与越障能力而受到青睐.然而现有轮腿式移动机器人机身大多不可变形,导致机器人运动模式较少,地形适应性一... 详细信息

移动机器人作为智能勘探与侦察的自动化装备,在航天探测、抢险救灾等领域具有广阔的应用前景.轮腿式移动机器人因具有良好的机动性与越障能力而受到青睐.然而现有轮腿式移动机器人机身大多不可变形,导致机器人运动模式较少,地形适应性一般.且机身易与障碍物发生碰撞,无法在具备良好的爬坡能力的同时保证跨越障碍物的效率.针对上述问题,本文提出了一种采用多连杆可变形机构作为机身的轮腿式移动机器人.在设计机器人轮腿及可变形机身的基础上,建立机器人整体运动学模型,据此规划机器人3种运动模式:同步步态、翻滚步态和蜷曲-伸展步态.开展机器人在典型地形(平坦地面、松软地形、上升坡度、下降坡度、障碍物)下的运动性能分析,揭示机器人结构参数与地形特征(爬坡角度、障碍物高度)映射关系.最后基于理论分析结果搭建物理样机并开展实验.实验结果表明,本文所设计的多模式轮腿移动机器人的最大爬坡角度和越障高度分别为44°和28 mm,具有良好的爬坡能力与越障性能.此外,得益于多模式运动特点,机器人在包含平坦地面及松软地形在内的多地形下均具有良好的通过性,验证了机器人方案的可行性.本文为多模式轮腿运动机器人的设计与应用提供有益参考.

关键词：多模式移动机器人轮腿式移动机器人运动学建模实验研究

基于最优参数VMD和改进散布熵的轴承亚健康状态识别

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铁道科学与工程学报 2025年第02期 887-899页

作者：魏文军甘洁兰州交通大学自动化与电气工程学院兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室

针对轴承的亚健康状态存在噪声干扰、模态混叠、状态特征提取困难的问题，提出一种最优参数变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)和改进散布熵的轴承亚健康状态识别方法。首先，设计改进的麻雀搜索算法(improved sparrow... 详细信息

针对轴承的亚健康状态存在噪声干扰、模态混叠、状态特征提取困难的问题，提出一种最优参数变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)和改进散布熵的轴承亚健康状态识别方法。首先，设计改进的麻雀搜索算法(improved sparrow search algorithm, ISSA)来自适应地搜索VMD最优分解参数，从而提高VMD分解效率和质量，然后根据所确定的最优参数对信号进行VMD分解，得到一系列本征模态函数(intrinsic mode function, IMF)，接着计算每个IMF与原始信号之间的皮尔逊相关系数(pearson correlation coefficient, PCC)，选择相关系数大于0.3的IMF分量来重构信号，以实现信号的降噪和状态特征增强。其次，为了更好地表征轴承信号的复杂度和不规则性，并有效区分轴承健康和亚健康状态，在散布熵中引入时移多尺度分析和分数阶微积分，以提取多个尺度上的轴承微细状态特征。最后，利用欧氏距离刻画轴承状态曲线，根据切比雪夫不等式设定亚健康阈值，当欧氏距离大于亚健康阈值时给出相应预警，完成轴承亚健康状态识别。在XJTU-SY和IMS轴承数据集上的试验结果表明：ISSA算法相比其他优化算法具有更高的收敛速度和精度，最优化参数VMD能有效消除模态混叠问题，改进散布熵能准确提取轴承全寿命状态微细特征。所提算法无须对模型进行训练便能准确识别轴承亚健康状态并给出预警，有利于维护人员更好地维护轴承运行状态。

关键词：轴承亚健康状态识别最优参数VMD 改进麻雀搜索算法时移多尺度分数阶散布熵

中空连续体机械臂的设计与主从任务转换避障控制

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2025年第1期58卷 24-35页

作者：万淑敏孙长超袁培康常乐康荣杰天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300350

连续体机械臂具有优良的弯曲性能和柔顺灵活性,表现出了独特的环境适应性和人机交互安全性,在微创手术、灾后救援、狭窄空间检修等非结构化环境及家庭服务领域具有广阔的应用前景.然而,连续体机械臂的中央脊椎骨占据其内部空间,模块单... 详细信息

连续体机械臂具有优良的弯曲性能和柔顺灵活性,表现出了独特的环境适应性和人机交互安全性,在微创手术、灾后救援、狭窄空间检修等非结构化环境及家庭服务领域具有广阔的应用前景.然而,连续体机械臂的中央脊椎骨占据其内部空间,模块单元冗余且运动耦合导致避障运动困难等问题妨碍了其在实际场景中的应用.针对以上问题,设计了内部中空的丝驱动连续体机械臂,为末端执行器的电液气管线留置出了充足的物理空间,并通过鲍登管在结构上实现了模块单元间的运动解耦;考虑丝驱动连续体机械臂的弯曲特性,建立了解耦后的简化运动学模型和运动学闭环控制算法;构造了评估空间障碍物与连续体机械臂最短距离的计算方法;在传统变构型避障运动控制的基础上,提出了基于主从任务转换的避障控制算法,能够在末端轨迹跟踪约束下,实现对障碍的躲避,同时也可暂时舍弃对给定末端轨迹的跟踪以躲避位于末端运动轨迹附近的障碍物.仿真和实验结果表明:所设计的连续体机械臂具有良好的运动能力,轨迹跟踪控制的末端位置平均误差为2.510 mm,仅为连续体机械臂长度的0.32%;提出的主从任务转换避障控制算法有效,能够准确评估末端运动与避障运动的优先级,相关研究工作为连续体机械臂的设计和运动控制提供了新的参考和思路.

关键词：连续体机械臂解耦避障主从任务转换

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目标位置引导的五指灵巧手手内重定向

机器人 2025年第1期47卷 10-21页

作者：张玲俊汤亮刘磊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

重定向是指将物体旋转至期望姿态,其中,将物体从任意初始姿态旋转到任意期望姿态是最具挑战性的场景。为引导不同驱动自由度的五指拟人灵巧手以更加类人的方式高效完成手内重定向任务,提出了一种目标位置引导的手内物体重定向策略生成... 详细信息

重定向是指将物体旋转至期望姿态,其中,将物体从任意初始姿态旋转到任意期望姿态是最具挑战性的场景。为引导不同驱动自由度的五指拟人灵巧手以更加类人的方式高效完成手内重定向任务,提出了一种目标位置引导的手内物体重定向策略生成方法。首先,受人手在手内重定向过程中操作特性的启发,并根据五指拟人灵巧手驱动自由度的分布特性,提出了一种设计目标位置的可行原则。将重定向过程中物体实际位置与目标位置的差值作为即时奖励的一部分,以引导五指拟人灵巧手将物体保持在目标位置附近。其次,受人手在准备执行重定向任务前预备状态的启发,设计了一种在每次状态重置时采样五指拟人灵巧手关节位置的方法,以提高操控能力;最后,采用基于长短期记忆(LSTM)网络与非对称演员-评论家架构的近端策略优化(PPO)算法训练重定向策略。仿真结果表明,所提出的方法使9驱动自由度雄克SVH灵巧手、13驱动自由度BICE(北京控制工程研究所)灵巧手和18驱动自由度Shadow灵巧手在执行重定向操作时,均能逼近预设的最大连续成功次数。此外,相较于不包含目标位置引导的手内物体重定向方法,所提出的方法有效降低了完成重定向任务所需的平均步数。综上所述,所提出的方法使得具有不同驱动自由度的五指拟人灵巧手能够通过手掌和手指的协同作用,以类人的方式高效完成物体重定向任务,显著提升了操作效率。

关键词：灵巧操作手内操作物体重定向五指灵巧手强化学习

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基于变参递归网络和递归最小二乘的连续体机器人控制

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自动化学报 2025年第1期51卷 90-103页

作者：张润宁余鹏谭宁中山大学计算机学院广州510006 机器智能与先进计算教育部重点实验室广州510006

连续体机器人通常由柔性材料制成,能够承受大幅度形变,在各领域具有广阔的应用前景.然而,其软体结构和非传统的驱动机制也带来了诸多非线性因素,使得其状态和运动难以被精确建模.因此,为连续体机器人设计了一种无模型控制方案.该方案一... 详细信息

连续体机器人通常由柔性材料制成,能够承受大幅度形变,在各领域具有广阔的应用前景.然而,其软体结构和非传统的驱动机制也带来了诸多非线性因素,使得其状态和运动难以被精确建模.因此,为连续体机器人设计了一种无模型控制方案.该方案一方面通过变参递归神经网络(Varying parameter-recursive neural network,VP-RNN)求解连续体机器人的逆运动学,以实现高精度运动控制,另一方面使用递归最小二乘法(Recursive least square,RLS)基于实时数据估计和更新机器人雅可比矩阵伪逆,以避免机器人的解析建模.最后,通过仿真模拟和实物实验验证了所提出控制方案的可行性、精确性和鲁棒性,并通过一系列对比实验突出了所提出方法的优势.该方法率先研究基于递归最小二乘法的连续体机器人雅可比矩阵伪逆估计,对未来的连续体机器人研究具有一定的启示作用.

关键词：连续体机器人无模型控制变参递归神经网络递归最小二乘法

板柱节点考虑弯剪相关性的受冲切承载力计算方法

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哈尔滨工业大学学报 2025年第1期57卷 65-76页

作者：郑文忠吕盛先郑博文王英结构工程灾变与控制教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨150090 土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨150090

对于同时受到竖向荷载和不平衡弯矩作用的板柱节点,目前已有方法大多将不平衡弯矩等效为竖向荷载,从而给出其受冲切承载力计算方法。但该方法所涉及的不平衡弯矩比例系数的计算还存在较大争议,且没有考虑竖向荷载与不平衡弯矩耦合的影... 详细信息

对于同时受到竖向荷载和不平衡弯矩作用的板柱节点,目前已有方法大多将不平衡弯矩等效为竖向荷载,从而给出其受冲切承载力计算方法。但该方法所涉及的不平衡弯矩比例系数的计算还存在较大争议,且没有考虑竖向荷载与不平衡弯矩耦合的影响。因此,本文首先通过推导给出仅有竖向荷载作用的板柱节点受冲切承载力计算公式和仅有不平衡弯矩作用的板柱节点受弯承载力计算公式,并与试验结果进行对比,验证了所提公式的合理性。然后基于板柱节点在竖向荷载和不平衡弯矩共同作用下的试验结果,拟合得到板柱节点考虑弯剪相关性的受冲切承载力计算公式。最后对所提计算方法与不同规范计算方法进行对比,结果表明本文计算方法能够更加准确地预测板柱节点受冲切承载力。

关键词：板柱节点竖向荷载不平衡弯矩受冲切承载力计算方法

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区域医疗系统抗震韧性综述

哈尔滨工业大学学报 2025年第1期57卷 1-12页

作者：裴顺顺翟长海胡杰结构工程灾变与控制教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨150090 土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨150090

韧性作为一种新的灾害风险管理理念,已成为防灾减灾领域的研究热点,考虑到医疗系统在城市运行和灾后救援中的重要作用,在地震期间和之后,区域医疗系统应该具有足够的韧性,并提供连续的医疗服务。如何综合考虑区域范围内多家医院和交通... 详细信息

韧性作为一种新的灾害风险管理理念,已成为防灾减灾领域的研究热点,考虑到医疗系统在城市运行和灾后救援中的重要作用,在地震期间和之后,区域医疗系统应该具有足够的韧性,并提供连续的医疗服务。如何综合考虑区域范围内多家医院和交通系统的安全性、应急响应能力、多系统的整合与协作,有效评估区域医疗系统的抗震韧性水平,并提出科学的改进建议,对建设韧性城乡具有重要的理论意义。本文通过梳理国内外文献,阐明了区域医疗系统韧性的概念和内涵,总结了地震后短期应急和长期修复两个阶段韧性评估的重点,归纳了现有区域医疗系统韧性的评估框架,从医院集群系统、面向医疗的交通系统、应急医疗服务系统和医疗-交通耦合系统4个方面阐述了现有评估方法。区域医疗系统韧性的研究旨在提高其面对灾害时的抵抗性、短期适应性和长期恢复性,这些研究对于满足紧急和日常的医疗需求以及指导灾后恢复具有重要意义。目前区域医疗系统抗震韧性的研究取得了一些进展,但仍然存在一些挑战,本文最后展望了未来的研究方向。

关键词：区域医疗系统单体医院交通系统抗震韧性功能评估恢复时间

考虑端部漏磁的表贴式永磁伺服电机气隙磁场调制机理研究

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中国电机工程学报 2025年

作者：王晨李凯刘杰张卓然高端装备先进感知与智能控制及教育部重点实验室(安徽工程大学) 南京航空航天大学

高端装备小型化对永磁伺服电机转矩密度提出了更严苛的需求，导致其端部漏磁现象显著，使得其气隙磁场调制规律与传统永磁电机存在较大的差异。为进一步探索其气隙磁场调制规律，研究不同电负荷下表贴式永磁电机的端部漏磁分布规律，构... 详细信息

高端装备小型化对永磁伺服电机转矩密度提出了更严苛的需求，导致其端部漏磁现象显著，使得其气隙磁场调制规律与传统永磁电机存在较大的差异。为进一步探索其气隙磁场调制规律，研究不同电负荷下表贴式永磁电机的端部漏磁分布规律，构建考虑端部漏磁的精确二维有限元等效模型，在此基础上，基于麦克斯韦应力张量法，深入探究不同运行工况下气隙磁通密度调制谐波的转矩贡献率，揭示端部漏磁对气隙磁场调制效应的影响规律。基于此，分析关键结构参数对谐波贡献转矩的影响，结果表明，合理的结构参数可进一步提升调制谐波贡献的转矩分量，提升电机的转矩密度。最后，试制一台22kW样机，搭建样机测试平台，验证理论分析和所提出方法的正确性和有效性。

关键词：永磁电机等效模型气隙磁场调制效应转矩密度端部漏磁