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基于全驱系统理论的航天器姿轨预设性能控制

航空学报 2024年第1期45卷 13-28页

作者：刘明范睿超邱实曹喜滨哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001

针对航天器对空间目标近距离绕飞背景下的姿轨一体化控制任务,考虑惯量参数不确定性与轨道摄动的影响,提出一种基于全驱系统参数化方法与自适应神经网络的预设性能控制方法。基于Lie群SE(3)描述刚体航天器近距离绕飞空间目标的六自由度... 详细信息

针对航天器对空间目标近距离绕飞背景下的姿轨一体化控制任务,考虑惯量参数不确定性与轨道摄动的影响,提出一种基于全驱系统参数化方法与自适应神经网络的预设性能控制方法。基于Lie群SE(3)描述刚体航天器近距离绕飞空间目标的六自由度运动,建立精确且简洁的航天器姿轨一体化误差动力学模型;通过引入指数形式的预设性能函数,先验定量地约束航天器姿轨状态误差的动态和稳态过程;考虑到航天器相对运动模型的非线性特性,设计了基于全驱系统方法的反馈控制项,使闭环系统成为具有可配置特征结构的常线性系统,降低了后续控制器设计难度;进一步设计了包括自适应神经网络项的积分滑模控制器,以实现存在惯量不确定性和轨道摄动情况下的航天器高精度一体化控制;此外,利用改进粒子群算法进一步优化控制器参数,提高了控制器的工程应用性。数值模拟结果显示,在所提出的控制方法作用下,能够实现高精度姿轨一体绕飞,航天器状态轨迹始终处于预设性能包络内且控制输出无明显抖振,证明了所设计控制器的有效性和可应用性。

关键词：全驱系统方法 Lie群SE(3) 航天器姿轨一体化控制预设性能控制改进粒子群优化

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双机器人协作轴孔装配力柔顺控制技术研究

机械工程学报 2024年第3期60卷 20-33页

作者：王战玺张益铭张邦海罗子彦史梦格西北工业大学机电学院西安710072 南京电子技术研究所南京210012

轴孔精密装配是加工制造业中常见的装配形式,其完成过程同时存在位置约束和力约束关系,因此采用工业机器人实现轴孔自动装配一直是具有挑战性的热点问题。首先分析了轴孔装配过程插孔阶段的典型的单点接触和双点接触受力模型,并针对不... 详细信息

轴孔精密装配是加工制造业中常见的装配形式,其完成过程同时存在位置约束和力约束关系,因此采用工业机器人实现轴孔自动装配一直是具有挑战性的热点问题。首先分析了轴孔装配过程插孔阶段的典型的单点接触和双点接触受力模型,并针对不同的接触状态提出了机器人整体力调控策略;其次在基于位置的阻抗模型基础上,建立对环境位置和刚度具有自适应效果的力柔顺控制模型,通过仿真验证了控制模型可以消除力跟踪过程的系统稳态误差;然后建立了主从式双机器人协作轴孔装配模型,并进行轴孔装配仿真实验,在不同的机器人位置和姿态误差下验证双机器人协作装配的力位控制效果;最后搭建主从式双机器人装配实验平台,验证自适应力柔顺控制模型和主从式协作模型的可行性。

关键词：轴孔装配力柔顺控制阻抗控制主从式协作

复杂约束下航天器高效机动路径规划和时域调节方法

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国防科技大学学报 2024年第4期46卷 63-73页

作者：岳程斐鲁明吴凡霍涛陈雪芹哈尔滨工业大学卫星技术研究所黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院广东深圳518000

针对复杂约束下航天器大角度姿态机动问题,提出一种基于三维特殊正交群的姿态高效机动路径规划和时域调节方法。针对航天器大角度机动过程中的姿态约束问题,设计了基于梯度的避障策略,得到了虚拟时域中的姿态路径和期望角速度。为了满... 详细信息

针对复杂约束下航天器大角度姿态机动问题,提出一种基于三维特殊正交群的姿态高效机动路径规划和时域调节方法。针对航天器大角度机动过程中的姿态约束问题,设计了基于梯度的避障策略,得到了虚拟时域中的姿态路径和期望角速度。为了满足执行机构最大输出力矩约束,提出了迭代非线性时域调节方法,通过时间缩放得到了满足控制力矩约束的高效机动角速度/控制力矩。仿真结果表明,该方法在满足航天器姿态机动过程中姿态约束和控制力矩约束的同时,相较现有同类方法,显著缩短了机动时间,为受约束的航天器高效机动规划与控制提供了新的思路。

关键词：姿态规划时域调节姿态约束控制力矩约束三维特殊正交群

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地月三体系统新型太阳帆周期轨道设计与分析

航空学报 2024年

作者：安诗宇刘明李化义吴凡哈尔滨工业大学卫星技术研究所

地月三体系统中的周期轨道在深空探测中具有重要的理论价值和工程意义。太阳帆航天器不需要消耗推进剂，在长期的空间任务中具有很大的潜力。在地月三体系统中增加太阳帆推进，将在地月系统中开辟更多有应用价值的轨道。本文在太阳帆地... 详细信息

地月三体系统中的周期轨道在深空探测中具有重要的理论价值和工程意义。太阳帆航天器不需要消耗推进剂，在长期的空间任务中具有很大的潜力。在地月三体系统中增加太阳帆推进，将在地月系统中开辟更多有应用价值的轨道。本文在太阳帆地月圆型限制性三体问题的简化非自治动力学模型下，引入了一种新的太阳帆指向律，使得太阳帆加速度与帆的状态向量相关，在此条件下，推导了系统的雅可比矩阵。将该指向律应用到近直线Halo轨道中，结合改进的微分修正法和太阳帆加速度延拓寻找新的轨道族。数值仿真验证了该指向律和该数值计算方法在非自治系统周期轨道设计中的有效性。分析表明，建立的新型太阳帆周期轨道族可用于月球照明和月球高纬度地区观测。最后，将周期轨道迁移到非共面双椭圆扰动模型中，通过二级微分修正方法得到了扰动下的拟周期轨道，分析表明其照明性能和覆盖性能可以保持。进一步计算了不同初始时刻对应的拟周期轨道，分析表明当地月质心和月球越接近其轨道的近心点时，扰动因素对轨道的影响越大。

关键词：地月系统限制性三体问题太阳帆周期轨道扰动模型

基于l_(1)-TSXKF的航天器姿控系统状态偏差估计

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航空学报 2024年第16期45卷 153-164页

作者：陈雪芹杨伯毓吴凡岳程斐曹喜滨哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院深圳518055

研究考虑非高斯噪声特性的航天器姿态控制系统状态与偏差估计问题。首先,建立含偏差的航天器姿控系统模型,并给出了非高斯特性噪声表达形式。然后,采用l_(1)范数卡尔曼滤波(l_(1)-KF)算法并结合数学仿真,验证了在卡尔曼滤波算法中引入l_... 详细信息

研究考虑非高斯噪声特性的航天器姿态控制系统状态与偏差估计问题。首先,建立含偏差的航天器姿控系统模型,并给出了非高斯特性噪声表达形式。然后,采用l_(1)范数卡尔曼滤波(l_(1)-KF)算法并结合数学仿真,验证了在卡尔曼滤波算法中引入l_(1)范数,可以避免系统受非高斯过程噪声的影响,但l_(1)-KF算法无法实现对状态和偏差的同时估计,且仅适用于姿态稳定控制过程中的估计。于是,在l_(1)-KF算法的基础上,考虑系统转动惯量时变和偏差时变的复杂情况,结合时变转动惯量实时辨识,设计l_(1)范数二阶外源性卡尔曼滤波(l_(1)-TSXKF)算法,对航天器姿态机动过程中的状态和偏差同时进行估计。数学仿真结果表明,l_(1)-TSXKF算法可以减少系统非高斯特性的影响,在航天器姿态机动过程中,可快速得到高精度的姿态、未知偏差估计结果,有利于航天器在轨应用。

关键词：航天器姿控系统偏差估计状态估计转动惯量辨识

基于5 kHz平面激光诱导荧光的射流火焰局部熄火时空特性分析

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光学精密工程 2024年第9期32卷 1307-1319页

作者：高龙彭江波于欣杨超博曹振袁勋刘文备哈尔滨工业大学航天学院光电子技术研究所黑龙江哈尔滨150006

基于高频光学测量手段研究射流火焰局部熄火的分布特性,对于分析燃烧场不稳定性机理有重要意义。建立5 kHz的平面激光诱导荧光测量系统,对高速射流火焰开展实验研究,并获得火焰结构的动态发展过程;将双边滤波、竖直滑窗局部自适应阈值... 详细信息

基于高频光学测量手段研究射流火焰局部熄火的分布特性,对于分析燃烧场不稳定性机理有重要意义。建立5 kHz的平面激光诱导荧光测量系统,对高速射流火焰开展实验研究,并获得火焰结构的动态发展过程;将双边滤波、竖直滑窗局部自适应阈值等图像处理方法引入平面激光诱导荧光图像的预处理,在局部断裂结构数量特征的基础上,提取局部断裂结构长度和空间位置等特征;基于上述特征深入解析局部熄火的时空分布特性,进一步完善高频平面激光诱导荧光诊断与分析方法。研究表明:双边滤波算法处理后,图像峰值信噪比为34.3 dB,结构相似度为0.93,噪声水平显著降低,获得了较好的去噪效果;使用竖直滑窗局部自适应方法进行图像分割的F1分数达到93.30%;断裂结构累计数量随时间线性增加,当射流马赫数由0.5增至1.6时,单侧图像断裂结构的每秒累计数量从790.7增至9 217.2,并且局部熄火频率与射流马赫数呈指数关系;断裂结构主要分布区域为火焰臂及上侧中央燃料区。本研究进一步拓展了高频平面激光诱导荧光技术的应用能力,证明了高频平面激光诱导荧光技术用于局部熄火时空分布特性研究的可行性。

关键词：激光诱导荧光光谱诊断高速射流火焰 OH基局部熄火图像特征

高精度音频Sigma-Delta调制器综述

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电子与信息学报 2024年第5期46卷 1874-1887页

作者：孙奥运温培旭邵淮先王桉楠鲁毅章飚曾永红张章合肥工业大学微电子学院合肥230601 天津津航计算技术研究所天津300308

Sigma-Delta(Σ-Δ)模数转换器(ADC)基于过采样和噪声整形技术,可实现高分辨率,具有无源器件匹配性要求低、结构简单等特点。在高精度音频领域,Σ-ΔADC能够实现高动态范围和良好的功率效率得到了广泛的关注和应用。近年来,依托先进工... 详细信息

Sigma-Delta(Σ-Δ)模数转换器(ADC)基于过采样和噪声整形技术,可实现高分辨率,具有无源器件匹配性要求低、结构简单等特点。在高精度音频领域,Σ-ΔADC能够实现高动态范围和良好的功率效率得到了广泛的关注和应用。近年来,依托先进工艺、先进技术进行低功耗高精度的音频ADC的设计已经成为新的研究热点。然而随着工艺技术向低节点的持续发展、电源电压的不断降低,使得Σ-ΔADC的电路设计更具挑战性。该文对高精度音频Sigma-Delta调制器的离散型设计、连续型设计的研究现状进行综述,为高精度音频Sigma-Delta调制器设计提供理论支撑,并给出研究前景展望。

关键词： Sigma-Delta(Σ-Δ)调制器高精度音频

利用离散时间聚合图的无人机编队最短时延路由协议

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电子与信息学报 2024年第5期46卷 1931-1939页

作者：李博王改芳杨洪娟茹雪菲张敬淳王钢哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院威海264209 哈尔滨工业大学通信技术研究所哈尔滨150001

针对传统的无人机编队路由算法无法有效利用拓扑变化的可提前预知特性、以发送探测包的方式获取链路的连接情况会导致开销大等问题,该文引入时变图模型,提出了基于离散时间聚合图的无人机编队最短时延路由协议。首先,利用无人机编队网... 详细信息

针对传统的无人机编队路由算法无法有效利用拓扑变化的可提前预知特性、以发送探测包的方式获取链路的连接情况会导致开销大等问题,该文引入时变图模型,提出了基于离散时间聚合图的无人机编队最短时延路由协议。首先,利用无人机编队网络的先验知识,如节点的运动轨迹以及网络拓扑变化情况,使用离散时间聚合图对网络的链路资源和拓扑进行表征。其次,基于该图模型设计路由决策算法,即在路由探索阶段将链路时延作为链路权重求解网络的源节点到目的节点的最短时延路由。最后,性能仿真结果表明,该路由协议与传统按需距离矢量路由协议相比提高了网络的分组投递率、降低了端到端时延和网络的控制开销。

关键词：无人机自组网无人机编队时变图模型最短时延路由

考虑多源误差影响的谐波减速器传动误差建模与分析

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计算机集成制造系统 2024年第3期30卷 1023-1035页

作者：杨聪彬李文汉张涛刘志峰赵永胜北京工业大学先进制造与智能技术研究所/先进制造技术北京市重点实验室北京100124 北京工业大学机械工业重型机床数字化设计与测试技术重点实验室北京100124 吉林省高端数控装备先进制造与智能技术重点实验室吉林长春130012

为解决现有谐波减速器传动误差建模方法的不足,提出一种考虑装配误差、齿面误差的综合误差建模方法。该方法首先建立装配误差和齿面误差数学模型,并进行误差影响参数分析。其次,测量实验样机装配偏心量和歪斜角度,基于模型得到对应偏心... 详细信息

为解决现有谐波减速器传动误差建模方法的不足,提出一种考虑装配误差、齿面误差的综合误差建模方法。该方法首先建立装配误差和齿面误差数学模型,并进行误差影响参数分析。其次,测量实验样机装配偏心量和歪斜角度,基于模型得到对应偏心误差、歪斜误差模型理论值,齿面加工误差幅值按一般加工工况大小代入模型,得到对应加工误差模型理论值;然后,分别进行500 h、1500 h、3000 h时长的磨损实验,磨损后进行齿面形貌扫描和数据分析,得到对应的齿面形貌参数,基于模型得到对应的磨损误差模型理论值。最后,综合考虑多源误差影响,设置3组同型号样机,进行传动误差实验。实验结果表明:考虑装配偏心、歪斜和齿面加工等影响因素,传动误差的实验测量值与模型理论值误差在1.7~3.3%之间;综合考虑装配偏心、歪斜、齿面加工、齿面磨损等影响因素,在磨损500 h、1500 h、3000 h后传动误差的实验测量值与模型理论值误差分别在-3.45~2.07%、-5.88~-2.94%、1.33~5.33%之间。

关键词：谐波减速器多源误差影响参数分析传动误差建模模型验证