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空地无人集群自调节控制与动态路径规划方法

航空学报 2024年第16期45卷 207-226页

作者：赵江张璇池沛王英勋北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学无人系统研究院北京100191

针对异构感知条件下空地无人集群协同避障与导航问题,提出了集群队形自调节控制与动态路径规划方法。首先,建立了无人机(UAV)与地面机器人的运动、感知与通信模型,设计了空地无人集群协调运动控制架构,满足异构集群协同避障与导航的控... 详细信息

针对异构感知条件下空地无人集群协同避障与导航问题,提出了集群队形自调节控制与动态路径规划方法。首先,建立了无人机(UAV)与地面机器人的运动、感知与通信模型,设计了空地无人集群协调运动控制架构,满足异构集群协同避障与导航的控制目标。其次,提出了机器人集群队形边界动态生成方法,分别设计了形状控制、个体避碰、编队控制与导航控制分量,实现了基于动态边界的集群队形自调节控制。结合机器人动态队形边界特性,提出了基于动态窗口优化的无人机路径规划方法,通过设计优化目标函数在集群协同运动的基础上实现了安全导航避撞。最后,设计了队形边界缩放、变形和旋转下的队形调节场景与狭窄廊道协同避障与导航任务想定,通过仿真算例验证了空地无人集群队形自调节控制与动态路径规划方法的有效性,并给出了所述方法能力边界的分析。

关键词：空地无人集群无人机地面机器人协同避障与导航队形自调节控制动态路径规划

航空电推进电机多层波浪形拓扑及散热设计方法

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北京航空航天大学学报 2024年第6期50卷 1806-1818页

作者：徐金全林华鹏郭宏北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学宁波创新研究院宁波315800

针对航空电推进电机的散热问题,提出一种基于多层波浪形散热拓扑的航空电推进电机高效散热设计方法。航空电推进电机采用多层波浪形散热拓扑,建立电机等效热网络模型,确定等效热阻、对流换热系数等重要参数,完成电机温度精确计算,并通过... 详细信息

针对航空电推进电机的散热问题,提出一种基于多层波浪形散热拓扑的航空电推进电机高效散热设计方法。航空电推进电机采用多层波浪形散热拓扑,建立电机等效热网络模型,确定等效热阻、对流换热系数等重要参数,完成电机温度精确计算,并通过CFD仿真验证所建立电机等效热网络模型的准确性和有效性。以此为基础,对比分析传统散热翅和多层波浪形散热拓扑对电机功率密度的影响。基于多层波浪形散热拓扑的等效热网络模型,采用遗传学习粒子群优化(GL-PSO)算法,完成航空电推进电机高效散热优化设计。优化结果表明:相比于原始方案,优化方案的机壳质量减轻15.1%,整个电机的功率密度提升0.06 kW/kg。

关键词：航空电推进电机永磁同步电机散热结构热网络模型电机功率密度

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基于横截函数的欠驱动航天器姿态跟踪方法

航空学报 2024年第1期45卷 29-39页

作者：段超邵小东胡庆雷吴淮宁北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 天目山实验室杭州310023

针对航天器姿态跟踪任务,考虑一种配置2个独立动量交换型执行机构的欠驱动航天器,提出了一种基于横截函数的任意姿态轨迹跟踪控制律。利用三维特殊正交群SO(3)建立航天器姿态运动学方程,并基于动量守恒条件,将动力学方程与运动学统一写... 详细信息

针对航天器姿态跟踪任务,考虑一种配置2个独立动量交换型执行机构的欠驱动航天器,提出了一种基于横截函数的任意姿态轨迹跟踪控制律。利用三维特殊正交群SO(3)建立航天器姿态运动学方程,并基于动量守恒条件,将动力学方程与运动学统一写成以执行机构输出角动量为控制输入的降阶系统。利用横截条件与Lie代数秩条件构造基于SO(3)的横截函数,其本质为能够任意逼近平衡点的一个嵌入子流形,并基于横截函数与姿态误差建立降阶跟踪控制系统的伴随系统。针对伴随系统,提出了一种光滑静态反馈控制律,利用Morse函数证明了对于任意轨迹闭环系统的最终有界稳定性。进一步针对可行轨迹,基于零动态系统设计了横截函数的参数自调整律,使得在零动态时横截函数趋近跟踪系统的平衡点,证明了闭环系统具有指数稳定性。最后,通过数值仿真验证了提出控制器的有效性。

关键词：欠驱动航天器姿态控制 Lie群横截函数可行轨迹

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热风洞温度系统的无模型自适应级联控制

北京航空航天大学学报 2024年第5期50卷 1713-1720页

作者：陈嘉诚杨旭马渝翔李栋董素君李运华北京航空航天大学大型飞机高级人才培训班北京100191 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

热风洞能够为高温热电偶动态标定和航空发动机叶片热强度测试等应用场景提供均匀且稳定的温度场,如何对热风洞所产生的热气流进行宽温范围的温度控制是一个难点。为此,建立了热风洞燃油流量和燃烧室温度的数学模型;设计了一种内环为增... 详细信息

热风洞能够为高温热电偶动态标定和航空发动机叶片热强度测试等应用场景提供均匀且稳定的温度场,如何对热风洞所产生的热气流进行宽温范围的温度控制是一个难点。为此,建立了热风洞燃油流量和燃烧室温度的数学模型;设计了一种内环为增量式比例积分微分(PID)和外环为无模型自适应控制(MFAC)的级联控制方法,增量式PID控制器控制燃油流量,MFAC控制器控制燃烧室温度,实现了对燃烧室温度的有效控制;进行了不同目标温度的数值模拟和试验研究,并与FuzzyPID-PID级联控制方案和传统的级联PID控制方案进行了对比测试。试验结果确认了所提控制方案的可行性与优越性。

关键词：热风洞温度控制无模型自适应控制增量式比例积分微分级联控制

基于语义分割与旋转目标检测的机器人抓取位姿估计

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控制与决策 2024年第9期39卷 2913-2922页

作者：孙先涛闻勇陈文杰智亚丽胡祥涛陈伟海安徽大学电气工程与自动化学院合肥230601 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

针对姿态任意、尺寸不一的物体以及抓取角度离散性问题,提出一种基于语义分割与旋转目标检测的单目位姿估计方法.阶段1:首先利用faster R-CNN (faster regions with convolutional neural networks features)进行抓取检测获取候选抓取框... 详细信息

针对姿态任意、尺寸不一的物体以及抓取角度离散性问题,提出一种基于语义分割与旋转目标检测的单目位姿估计方法.阶段1:首先利用faster R-CNN (faster regions with convolutional neural networks features)进行抓取检测获取候选抓取框;其次利用语义分割网络获取待抓取物体的轮廓信息;最后利用语义分割结果为每个待抓取物体筛选置信度最高的抓取框,同时完成角度粗估计.阶段2:利用旋转目标检测获取精细的抓取角度,以修正阶段1抓取框的偏转角.此外,考虑到抓取物具有多尺度的特点,提出一种多尺度特征融合模块,使金字塔的所有层共享相似的语义特征.针对智能算法求解逆运动学时出现迭代后期收敛速度慢的问题,利用牛顿法收敛速度快的优点,加快智能算法后期的收敛速度.基于V-REP仿真以及实际抓取检测实验表明,所提算法的抓取检测精度为98.4%,实际抓取成功率达到了88.3%,仿真抓取时的有害扭矩大小较修正前有所改善,能够满足机械臂抓取要求.

关键词：抓取检测语义分割特征金字塔 V-REP仿真

基于动态分治的大规模多场站无人机应急救援优化方法

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北京邮电大学学报 2024年第1期47卷 65-71页

作者：苏立晨赵浩然郭通杜文博李宇萌北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191

面对应急救援任务时间紧、需求量大、待救援点数量规模较大等特点,提出了基于动态分治的大规模多场站无人机应急救援优化方法。在充分考虑无人机平台约束和应急救援任务约束的基础上,以最小化累计救援时间为目标函数,建立了多场站无人... 详细信息

面对应急救援任务时间紧、需求量大、待救援点数量规模较大等特点,提出了基于动态分治的大规模多场站无人机应急救援优化方法。在充分考虑无人机平台约束和应急救援任务约束的基础上,以最小化累计救援时间为目标函数,建立了多场站无人机应急救援模型。基于该模型,提出了基于路径相似度的动态分治策略,根据救援点的耦合关系进行空间聚类,将大规模问题分解为若干个规模较小、且耦合度较低的子问题;提出了自适应扰动邻域的变邻域搜索算法,通过多维邻域的协同搜索和动态交互,实现大规模应急投送方案的高效寻优。以典型样本为例,与先进元启发算法在不同规模的数据集上进行了对比,结果验证了所提方法能够有效地缩短应急投送的时间,为高效的灾后应急救援任务提供技术支撑。

关键词：无人机任务规划车辆路径问题混合整数规划邻域搜索算法

车载GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合导航方法

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测绘学报 2024年第3期53卷 425-434页

作者：穆梦雪赵龙北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学数字导航中心北京100191 北京航空航天大学飞行器控制科学与技术实验室北京100191

为提升复杂环境下低成本车载导航系统的容错性能,本文研究了基于次优增益融合(SGF)算法的GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法。该方法首先根据阿克曼转向几何建立了四轮里程计测速补偿模型,提升了惯性测量单元(IMU)安装中心处的前向和... 详细信息

为提升复杂环境下低成本车载导航系统的容错性能,本文研究了基于次优增益融合(SGF)算法的GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法。该方法首先根据阿克曼转向几何建立了四轮里程计测速补偿模型,提升了惯性测量单元(IMU)安装中心处的前向和侧向测速精度;然后设计了基于卡方检验统计量的故障检测与分类准则,充分利用了可获取的观测信息;最后构建了随机模型和信息分配因子(ISF)弹性优化模型,分别从传感器层和决策层减少了异常观测的影响,实现了车载多源信息的弹性融合。通过实际跑车数据对GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法进行测试验证。试验结果表明,本文方法能有效减少子系统故障对全局状态估计的影响,提升复杂环境下系统的容错性能。此外,与经典的联邦卡尔曼滤波(FKF)算法相比,SGF算法全局融合精度损失有限,计算效率却显著提升,有利于多源信息弹性融合的实际工程应用。

关键词：多源信息弹性融合 GNSS/SINS/里程计融合里程计测速补偿模型次优增益融合分布式滤波

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通信速率约束下一体化角度协同制导控制方法

宇航学报 2024年第6期45卷 914-923页

作者：王青马雪虎王培生北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学国际创新研究院杭州311115 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

针对多飞行器协同拦截过程中的角度协同问题,设计了一种基于量化编码器的分布式一体化协同制导控制律。首先建立多飞行器协同制导与控制数学模型,并基于扩张状态观测器理论,对单个飞行器各状态进行观测。在此基础上考虑各飞行器间单次... 详细信息

针对多飞行器协同拦截过程中的角度协同问题,设计了一种基于量化编码器的分布式一体化协同制导控制律。首先建立多飞行器协同制导与控制数学模型,并基于扩张状态观测器理论,对单个飞行器各状态进行观测。在此基础上考虑各飞行器间单次传输数据的字长、两次传输数据间隔的通信速率约束,采用量化器-编码器-解码器实现限制通信速率情况下的协同一体化制导控制设计。之后,通过严格的理论分析证明了满足强连通图有向通信网络下,多飞行器系统能够达成一致性且收敛到期望的相对视线角,并给出了满足收敛条件的参数选择范围。最后,通过数学仿真校验,验证了所提出的方法在较低的通信速率下能够完成协同。

关键词：飞行器拦截协同制导通信限制扩张状态观测器(ESO) 制导控制一体化

基于神经渲染的数字孪生资产快速场景几何建模与检索方法

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计算机集成制造系统 2024年第4期30卷 1189-1200页

作者：孙志强郑杭彬吕超凡孙学民鲍劲松东华大学机械工程学院上海201620 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

虚实融合是数字孪生技术的典型特征,数字孪生的虚拟场景大多通过几何建模技术来实现。为解决场景几何建模的自动化程度较低。过于依赖人工,导致成本高昂且效率低下的问题,提出一种数字孪生几何场景构建方法。引入神经渲染技术采集物理... 详细信息

虚实融合是数字孪生技术的典型特征,数字孪生的虚拟场景大多通过几何建模技术来实现。为解决场景几何建模的自动化程度较低。过于依赖人工,导致成本高昂且效率低下的问题,提出一种数字孪生几何场景构建方法。引入神经渲染技术采集物理实体的点云数据,然后设计一种基于深度学习的点云模型与3DCAD模型语义映射的方法,用于基于数字孪生几何模型资产库的3DCAD模型检索。最后建立训练数据集并构建数字孪生几何模型资产库进行实验验证。通过对比实验和退役电池拆解案例验证:与其他的数字孪生场景几何建模方法相比,该方法具有更低的成本和更高的效率。

关键词：数字孪生场景几何建模神经渲染模型检索