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空间无人系统智能精准运维:机制、技术与应用

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中国科学:物理学力学天文学 2025年

作者：李文博梁寒玉刘切王坤朋刘成瑞刘文静张妍徐赫屿黄晓峰王彤叶志玲北京控制工程研究所空间智能控制技术全国重点实验室南京航空航天大学自动化学院重庆大学自动化学院西南科技大学信息工程学院

运维技术是地球轨道卫星、深空探测器、高超声速飞行器、地外天体巡视器等空间无人系统实现安全可靠稳定运行的重要保障.针对现有远程集中运维方式存在的执行效率偏低、精准程度不高等问题,本文提出了一种支持隐私保护的分布式云边协同... 详细信息

运维技术是地球轨道卫星、深空探测器、高超声速飞行器、地外天体巡视器等空间无人系统实现安全可靠稳定运行的重要保障.针对现有远程集中运维方式存在的执行效率偏低、精准程度不高等问题,本文提出了一种支持隐私保护的分布式云边协同运维机制,为解决“资源配置不充分、先验知识不完备、信息交互不安全”等挑战提供了一种有效途径.在此基础上,同时关注“数据、模型与算法”人工智能技术的三大核心要素,重点针对数据增强、状态监测、异常检测、故障诊断、健康评估、寿命预测等空间无人系统智能精准运维6项关键核心技术的研究现状与应用情况进行了汇总与梳理.最后,结合未来航天型号任务需求以及人工智能技术发展态势,对空间无人系统智能精准运维技术未来可能的发展趋势进行了分析与展望.

关键词：空间无人系统智能精准运维云边协同机制隐私保护

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广义多边形凸包弹性线递支模拟算法

北京航空航天大学学报 2024年第1期50卷 216-223页

作者：崔钰萍李子涵郑国磊北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

针对诸多领域涉及的平面弯曲图形的凸包计算,提出弹性线递支模拟算法用于计算简单闭广义多边形的弹性包络线。所提算法基于物理模型,通过判断各支点是否受力平衡来判别其是否为弹性包络线上的平衡支点,并据此分别进行前进、回弹和跳跃... 详细信息

针对诸多领域涉及的平面弯曲图形的凸包计算,提出弹性线递支模拟算法用于计算简单闭广义多边形的弹性包络线。所提算法基于物理模型,通过判断各支点是否受力平衡来判别其是否为弹性包络线上的平衡支点,并据此分别进行前进、回弹和跳跃等操作,直至计算出所有平衡支点进而求出其弹性包络线。3种典型的简单闭广义多边形的对比测算表明:所提算法可实时稳健地求解平面任意简单闭广义多边形的弹性包络线,具有高效性和普遍适用性。

关键词：广义多边形曲边形凸包弹性包络线支撑线

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基于自适应参数优化RSSD-CYCBD的行星齿轮箱复合故障诊断

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北京航空航天大学学报 2024年第10期50卷 3139-3150页

作者：孙环宇杨志鹏王艺玮郭琦南京航空航天大学自动化学院南京211106 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

针对行星齿轮箱多振源耦合导致故障源辨识困难、较弱故障特征容易被噪声和较强故障特征掩盖,以及由传播路径引起的信号衰减导致的故障特征微弱等问题,提出一种自适应参数优化的共振稀疏分解(RSSD)和最大二阶循环平稳盲解卷积(CYCBD)的... 详细信息

针对行星齿轮箱多振源耦合导致故障源辨识困难、较弱故障特征容易被噪声和较强故障特征掩盖,以及由传播路径引起的信号衰减导致的故障特征微弱等问题,提出一种自适应参数优化的共振稀疏分解(RSSD)和最大二阶循环平稳盲解卷积(CYCBD)的行星齿轮箱多故障耦合信号分离及诊断算法。根据轴承和齿轮故障的不同共振属性,用RSSD算法将多故障耦合信号分解为包含齿轮故障特征的高共振分量和主要包含轴承故障特征的低共振分量后,通过CYCBD算法分别对高、低分量进行解卷积,消除传播路径影响和噪声干扰,实现微弱故障特征的增强和提取。特别地,针对RSSD和CYCBD中参数优化困难、依赖人工经验和自适应差等问题,使用基于松鼠算法(SSA)对参数进行自适应优化选取,设计了融合包络谱峭度、自相关函数最大值均方根和特征频率比在内的复合指标作为优化目标。对解卷积后的信号进行包络解调提取故障特征频率,识别不同故障源。通过行星齿轮箱多故障模拟信号和实测信号验证了所提算法的有效性和可行性,进一步地,将所提算法集成在边缘计算设备中,为行星齿轮箱等旋转机械的状态检测诊断及远程运维提供解决方案。

关键词：多源故障分离共振稀疏分解最大二阶循环平稳盲解卷积松鼠算法行星齿轮箱

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热处理时间对电子束制造Ti6Al4V合金腐蚀性能的影响

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稀有金属材料与工程 2024年第2期53卷 357-364页

作者：黄俊媛张伟北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

通过1、3、5、7和9 h的热处理加工电子束制备的Ti6Al4V样品,进行Tafel和电化学阻抗谱实验,讨论样品电化学腐蚀行为及机理。通过分析腐蚀性能的变化机理,发现晶向越多,小角度晶界占比越大,晶粒直径越大,耐腐蚀性能越好。热处理5 h的样品... 详细信息

通过1、3、5、7和9 h的热处理加工电子束制备的Ti6Al4V样品,进行Tafel和电化学阻抗谱实验,讨论样品电化学腐蚀行为及机理。通过分析腐蚀性能的变化机理,发现晶向越多,小角度晶界占比越大,晶粒直径越大,耐腐蚀性能越好。热处理5 h的样品呈现最均匀的晶向,小角度晶界占比最大为56.2%,晶粒截距5.252μm,此时耐腐蚀性能最好,腐蚀电流为0.037μA/cm^(2)。

关键词： Ti6Al4V 电子束选区熔化耐腐蚀性能晶相晶体结构

超音频脉冲方波电流参数对2219铝合金焊缝组织和力学性能的影响

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金属学报 2009年第9期45卷 1057-1062页

作者：从保强齐铂金周兴国罗军北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

采用新型超快速变换HPVP-TIG电弧焊接工艺进行2219-T87高强铝合金焊接,研究脉冲电流特征参数对焊接接头组织和力学性能的影响.结果表明,加入超音频脉冲方波电流(UPSWC)作用后,铝合金焊缝区显微组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶,在焊缝... 详细信息

采用新型超快速变换HPVP-TIG电弧焊接工艺进行2219-T87高强铝合金焊接,研究脉冲电流特征参数对焊接接头组织和力学性能的影响.结果表明,加入超音频脉冲方波电流(UPSWC)作用后,铝合金焊缝区显微组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶,在焊缝区内除了等轴树枝晶外,还存在一种呈带状分布的极细小等轴非枝晶组织,同时焊缝熔合区宽度明显减小,焊接接头抗拉强度和断后伸长率显著提高.在一定范围内增加脉冲电流幅值,提高脉冲频率,减小占空比,可增强组织细化作用,提高接头力学性能.与未加入UPSWC作用相比,脉冲电流幅值100A,脉冲频率40kHz,占空比20%时,接头抗拉强度和断后伸长率分别提高约22%和111%.

关键词：高强铝合金超音频脉冲电流变极性等轴非枝晶力学性能

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航空发动机宽弦空心风扇叶片制造研究综述

航空动力学报 2023年第11期38卷 2675-2687页

作者：李灿郎利辉 SARDAR MUHAMMAD I 郭英健张德鑫北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

详细介绍了国外航空发动机风扇叶片结构及成形技术的发展与现状,从结构设计、成形工艺以及力学性能领域分析了国内钛合金宽弦空心风扇叶片研究现状。基于宽弦空心风扇叶片服役过程中现存问题,结合扩散焊接/常规塑性/超塑性成形技术,探... 详细信息

详细介绍了国外航空发动机风扇叶片结构及成形技术的发展与现状,从结构设计、成形工艺以及力学性能领域分析了国内钛合金宽弦空心风扇叶片研究现状。基于宽弦空心风扇叶片服役过程中现存问题,结合扩散焊接/常规塑性/超塑性成形技术,探讨了叶片空腔结构设计、成形工艺优化以及扩散焊结构力学性能三大领域的关键技术研究发展方向。结果表明:空腔结构的设计应基于结构轻量化、成形可行性及力学性能最优三大目标展开研究;成形工艺的优化着重开展多工序多目标耦合优化、数值计算精度提高、材料冷热复合加工过程形性演变精确预测与控制等方面的研究;扩散焊结构力学性能的提高应当从复杂载荷条件下焊缝裂纹扩展以及疲劳性能演变等方面展开研究。

关键词：空心风扇叶片扩散焊接超塑性成形结构设计成形工艺力学性能

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减振铣刀切削钛合金TB6颤振和切削力分析

中南大学学报（自然科学版） 2020年第2期51卷 349-358页

作者：刘建永乔立红陈五一北京航空航天大学机械工程及自动化学院

为研究减振铣刀(变螺旋角和变齿距铣刀)在切削钛合金TB6过程中的颤振和切削力,采用变螺旋角、变齿距和标准铣刀切削钛合金TB6,比较不同的切削速度和磨损量下3种铣刀的颤振和切削力特性;分析在磨损量分别为0.1,0.2和0.3 mm时3种铣刀的颤... 详细信息

为研究减振铣刀(变螺旋角和变齿距铣刀)在切削钛合金TB6过程中的颤振和切削力,采用变螺旋角、变齿距和标准铣刀切削钛合金TB6,比较不同的切削速度和磨损量下3种铣刀的颤振和切削力特性;分析在磨损量分别为0.1,0.2和0.3 mm时3种铣刀的颤振和切削力随切削速度的变化,研究切削速度对颤振和切削力的影响;分析切削速度分别在25,30和35 m/min时3种铣刀的颤振和切削力随磨损量的变化,研究铣刀磨损对颤振和切削力的影响;分析在相同的切削速度和磨损量下3种铣刀的颤振和切削力,研究刀具几何结构对颤振和切削力的影响。研究结果表明:3种铣刀在切削过程中都没有发生明显的共振,随着切削速度和刀具磨损量增加,3种铣刀的颤振和切削力均呈增大趋势;刀具几何结构对于颤振的影响显著,相对于标准铣刀,改变螺旋角和齿距可以有效减小颤振;刀具几何结构对切削力的影响不明显,3种不同几何结构铣刀在不同切削速度和磨损量下的切削力规律不一致。

关键词：变螺旋角变齿距颤振切削力刀具磨损

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基于双向拉伸的热环境铝合金性能获取和分析

北京航空航天大学学报 2019年第6期45卷 1195-1202页

作者：房涛涛李晓星肖瑞北京航空航天大学机械工程及自动化学院

板材成形加工时通常承受复杂载荷,一般采用单拉试验获取材料性能,由于材料变形时仅承受单向载荷,与实际情况差距较大。为获取更加真实的复杂加载时材料性能,通过十字形试件双向拉伸试验,研究了热环境双向变比例加载时AA6016铝合金材料... 详细信息

板材成形加工时通常承受复杂载荷,一般采用单拉试验获取材料性能,由于材料变形时仅承受单向载荷,与实际情况差距较大。为获取更加真实的复杂加载时材料性能,通过十字形试件双向拉伸试验,研究了热环境双向变比例加载时AA6016铝合金材料力学性能和变形行为,包括优化设计十字形试件、相关试验方法和设备以及结果分析等。在25、150和250℃温度下进行了拉伸速率比例为1∶1、3∶2、2∶3、1∶3和3∶1的双向拉伸试验和单向拉伸试验,得到了不同拉伸速率比例和温度下的应力应变关系、屈服规律和各向异性,建立了屈服准则,并且通过与试验结果对比,讨论分析了几个典型屈服准则及其适用性。

关键词：热环境十字形试件优化设计双向拉伸屈服准则

基于边缘计算的工业应用：自动导引小车控制系统

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计算机集成制造系统 2019年第12期25卷 3191-3198页

作者：陈友东胡嘉航北京航空航天大学机械工程及自动化学院

目前大多数自动导引车控制系统使用云计算框架,实时性差。云端与自动导引小车之间有较大的网络延迟,这使得自动导引小车中如避障、路径规划以及障碍物识别等高实时性任务不能得到及时响应。由此提出一种基于边缘计算的自动导引小车控制... 详细信息

目前大多数自动导引车控制系统使用云计算框架,实时性差。云端与自动导引小车之间有较大的网络延迟,这使得自动导引小车中如避障、路径规划以及障碍物识别等高实时性任务不能得到及时响应。由此提出一种基于边缘计算的自动导引小车控制系统,具有云服务层、边缘层和设备层3层架构。实时性高的计算任务部署在边缘节点,靠近自动导引小车,计算发生在数据生产者附近,可以减少任务处理延迟时间,提高实时性。实验证明,在执行相同任务时,基于边缘计算的控制系统比基于云计算的控制系统减少46.4%~58.8%的计算延时。

关键词：自动导引车边缘计算物流系统物联网