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大质量比滚控式变质心飞行器动力学特性分析

宇航学报 2024年第2期45卷 250-261页

作者：孙佳慧胡玉东高长生荆武兴哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对大质量比滚控式变质心再入飞行器结构参数设计问题,建立了包含活动体偏转运动的完整飞行器姿态伺服动力学模型,进而对活动体参数设计对姿态动力学耦合特性的影响展开分析研究。首先根据Routh准则给出了飞行器的纵向静稳定区域,并讨... 详细信息

针对大质量比滚控式变质心再入飞行器结构参数设计问题,建立了包含活动体偏转运动的完整飞行器姿态伺服动力学模型,进而对活动体参数设计对姿态动力学耦合特性的影响展开分析研究。首先根据Routh准则给出了飞行器的纵向静稳定区域,并讨论了配平攻角与活动体配置参数间的关系。对飞行器系统的动力学耦合分析结果表明,活动体偏转在控制滚转姿态的同时会对偏航姿态产生影响,进而造成控制精度的下降,甚至导致不稳定的飞行状态。为了在飞行器结构参数的优化设计中提高飞行器的控制性能、最小化飞行器滚转机动对偏航通道的影响,采用多尺度法对活动体偏转与飞行器偏航姿态运动构成的耦合非线性动力学系统在不同构型参数下的稳态解析解进行幅频响应特性分析,并给出考虑滚转偏航耦合约束下的大质量比滚控式变质心飞行器构型设计方案。

关键词：变质心飞行器动力学耦合非线性振动结构参数设计

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一种高超声速飞行器固定时间滑模控制方法

宇航学报 2024年第4期45卷 560-570页

作者：许玉龙鄂斌王小刚崔乃刚哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对高超声速飞行器再入滑翔段的姿态控制问题,提出了一种存在外部扰动、模型不确定和输入饱和约束情况下的固定时间收敛终端滑模控制器。首先,针对固定时间收敛的超螺旋二阶滑模扰动观测器,给出了一个更加精确的固定收敛时间上界。随后... 详细信息

针对高超声速飞行器再入滑翔段的姿态控制问题,提出了一种存在外部扰动、模型不确定和输入饱和约束情况下的固定时间收敛终端滑模控制器。首先,针对固定时间收敛的超螺旋二阶滑模扰动观测器,给出了一个更加精确的固定收敛时间上界。随后,构造了一种改进的变指数系数快速非奇异多变量终端滑模面。进而,基于固定时间观测器和改进的滑模面,提出了一种可以使高超声速飞行器模型在受到外部扰动、模型存在不确定参数和输入饱和约束的情况下,能够实现固定时间收敛的再入滑翔段姿态控制终端滑模控制器,并证明了其在观测器收敛前后的固定时间稳定性。该方法能够在不引入额外测量的前提下,有效避免输入饱和。最后,通过数值仿真验证了所提出的控制方法的有效性。

关键词：高超声速飞行器滑翔再入姿态控制固定时间控制滑模控制

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带有参数精确估计的迭代学习滑模控制及应用

航空学报 2024年第1期45卷 159-173,I0002页

作者：方乐言蒙晗侯明哲哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对一类做重复运动的不确定全驱系统,提出了一种带有未知参数精确估计的迭代学习自适应滑模控制算法。通过设计跟踪误差的期望轨迹,放宽了对系统初值条件的限制,并使系统在初始时刻便位于滑模面上,消除了滑模到达阶段,有利于提高系统... 详细信息

针对一类做重复运动的不确定全驱系统,提出了一种带有未知参数精确估计的迭代学习自适应滑模控制算法。通过设计跟踪误差的期望轨迹,放宽了对系统初值条件的限制,并使系统在初始时刻便位于滑模面上,消除了滑模到达阶段,有利于提高系统鲁棒性。通过构造一组低通滤波器并引入遗忘因子和归一化技术,对参数估计误差进行了重构,并利用重构结果进行了微分-差分型自适应律设计。基于Lyapunov方法设计了迭代学习自适应滑模控制算法,证明了闭环系统信号的有界性以及跟踪误差和参数估计误差的渐近收敛性。最后,将所提出的迭代学习自适应滑模控制算法应用于航天器的绕飞控制中,并通过数值仿真验证了设计结果的有效性。

关键词：迭代学习自适应控制滑模控制参数估计航天器绕飞

考虑滑块动态特性的变质心四旋翼无人机双回路控制

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北京航空航天大学学报 2024年第3期50卷 861-873页

作者：杜青峰荆武兴高长生安若铭哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对滑块动态特性引入的附加干扰力矩造成系统姿态抖动强烈的问题,开展变质心四旋翼无人机滑块参数设计与姿态/伺服双回路控制研究。通过建立双滑块变质心四旋翼无人机八自由度运动模型,明确了滑块的引入对系统的影响,给出了与滑块动态... 详细信息

针对滑块动态特性引入的附加干扰力矩造成系统姿态抖动强烈的问题,开展变质心四旋翼无人机滑块参数设计与姿态/伺服双回路控制研究。通过建立双滑块变质心四旋翼无人机八自由度运动模型,明确了滑块的引入对系统的影响,给出了与滑块动态特性相关的各项附加干扰力矩;分析并设计了滑块的安装位置、质量以及行程等参数,降低滑块对系统的耦合与干扰;最后以滑块驱动力作为控制量,设计了姿态/伺服双回路动态滑模控制器,同时利用非线性扰动观测器对复合扰动进行估计和补偿,并进行了仿真试验。仿真结果表明,在考虑滑块动态特性的情况下,所设计的控制器能够实现对变质心四旋翼无人机的姿态控制,并具有良好的抗干扰性能与鲁棒性。

关键词：变质心控制四旋翼无人机动态特性动态滑模双回路

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面向空间视觉目标检测的对抗攻击与防御算法

控制与决策 2024年第7期39卷 2161-2168页

作者：周栋孙光辉吴立刚哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

随着航天航空技术的发展,空间目标视觉检测技术作为航天器智能在轨服务的重要技术支撑,获得了国内外研究学者的广泛关注.考虑到太空中恶劣的光照条件以及未知的动态场景,空间目标视觉检测的鲁棒性问题亟待深入研究.首先,提出一种黑盒迁... 详细信息

随着航天航空技术的发展,空间目标视觉检测技术作为航天器智能在轨服务的重要技术支撑,获得了国内外研究学者的广泛关注.考虑到太空中恶劣的光照条件以及未知的动态场景,空间目标视觉检测的鲁棒性问题亟待深入研究.首先,提出一种黑盒迁移实例攻击方法,将图像识别领域的对抗样本攻击方法应用于空间目标检测任务,实现对EfficientDet目标检测模型的欺骗攻击;同时,提出一种协同防御策略,将对抗训练和SRMNet去噪器相结合,有效增强目标检测模型的鲁棒性.实验结果表明,所提出防御策略不仅能够成功抵御对抗样本攻击,还能取得高于原始空间目标检测模型的检测精度.

关键词：空间目标视觉检测黑盒迁移实例攻击对抗训练 SRMNet

具有稳定性保证的基于模型与条件神经过程的强化学习算法

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中国科学：技术科学 2024年第2期54卷 265-274页

作者：杨嘉楠丁一航朱益民蔡博马雨婷李云鹏韩铭昊哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150000

安全性是强化学习智能控制与决策方法大规模推广应用的必需能力.本文旨在实现智能体只通过安全策略(即将智能体动作限制在安全区域内的策略)收集数据进行训练,并使得最终训练的策略具有安全性保证.针对上述需求,研究拟采用控制理论中稳... 详细信息

安全性是强化学习智能控制与决策方法大规模推广应用的必需能力.本文旨在实现智能体只通过安全策略(即将智能体动作限制在安全区域内的策略)收集数据进行训练,并使得最终训练的策略具有安全性保证.针对上述需求,研究拟采用控制理论中稳定性分析的方法,在一致最终有界性约束下优化强化学习训练的策略.具体而言,本方法提出了一类学习系统动态模型和李雅普诺夫函数的有效方法,在不将智能体驱动到安全区域之外的前提下,利用其实现闭环系统的稳定性分析.此外,本文给出了如何在提高策略性能的同时逐步扩大安全区域的方法,并在此基础上,给出了一种实用有效的算法来保证闭环系统在训练中及训练后的策略稳定性.最终,本文通过倒立摆对理论结果进行了仿真验证,即验证如何在倒立摆不倒下的情况下优化强化学习策略.

关键词：强化学习安全性稳定性分析条件神经过程

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基于介电特性的含冰月壤含水率反演方法研究

机械工程学报 2024年第2期60卷 313-322页

作者：段骁航张伟伟薛晨阳姜生元迟关心哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制研究中心哈尔滨150001

水冰勘探是地外天体采样与原位资源利用领域的研究热点之一,探地雷达和就位阻抗测量是基于介电特性的典型手段,通过对星壤介电系数数据反演可以获取水冰组分的质量占比。月球水冰的特殊赋存环境和赋存状态使介电类水冰勘探手段与地球水... 详细信息

水冰勘探是地外天体采样与原位资源利用领域的研究热点之一,探地雷达和就位阻抗测量是基于介电特性的典型手段,通过对星壤介电系数数据反演可以获取水冰组分的质量占比。月球水冰的特殊赋存环境和赋存状态使介电类水冰勘探手段与地球水资源勘探有所差异。此研究通过搭建深低温真空条件下的介电参数测量装置,采用低含水率损耗的特殊真空低温样本制备规程,制备标准尺寸介电测量试样块。获取宽温度范围100~250 K、含水率范围0~10%的含冰模拟月壤20 Hz~1 MHz介电谱,分析含冰模拟月壤混合介质的介电特性与温度、频率间相关性,并拟合不同温度、频率条件下的含水率与介电系数实部间函数关系,探究不同温度、频率条件下含水率反演的灵敏度。根据试验结论,提出一种基于低频介电系数实部的月球极区含冰月壤的含水率就位数据反演方法,通过试验验证反演方法的可行性和精度。

关键词：月球水冰含水率介电系数介电弛豫灵敏度

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超构透明吸波体的研究前沿与展望

中国科学：技术科学 2024年第6期54卷 1021-1035页

作者：宋梓诚闵萍萍张锐聪贺乔柏杨磊王天宇韩杰才朱嘉琦哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所哈尔滨150080 哈尔滨工业大学郑州研究院郑州450018 哈尔滨工业大学分析测试中心哈尔滨150080 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨150080

吸波材料在电磁隐身技术中发挥着至关重要的作用.与非透明材料相比,透明材料实现电磁吸收面临更复杂和独特的挑战.经典透明吸波体在光学透过率、厚度、电磁吸收带宽、倾角与极化稳定性等多项指标存在难以调和的矛盾.随超构材料应用于透... 详细信息

吸波材料在电磁隐身技术中发挥着至关重要的作用.与非透明材料相比,透明材料实现电磁吸收面临更复杂和独特的挑战.经典透明吸波体在光学透过率、厚度、电磁吸收带宽、倾角与极化稳定性等多项指标存在难以调和的矛盾.随超构材料应用于透明吸波体,上述核心性能指标得到显著改善,从而促进了其在电磁隐身领域的实际应用.本文针对超构透明吸波体研究工作进行了综述,首先介绍了透明吸波体的光学透明与电磁隐身原理,并对经典透明吸波体工作原理与局限进行分析与总结.随后对超构材料改善透明吸波体在宽带电磁吸收、倾角与极化稳定性经典性能的研究进展与设计方法进行了总结.为预示未来发展方向,本文详细阐述了近年来透明吸波体在混合机制设计、多光谱设计、动态可调性能的技术原理与研究前沿,并展望了新兴方向为透明吸波体带来的多机制、多功能、智能化的发展机遇.

关键词：透明吸波体电磁隐身宽带雷达散射截面积漫反射吸波体

DMANet:针对空间非合作目标位姿估计的密集多尺度注意力网络

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Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2024年第1期41卷 122-134页

作者：张钊胡瑀晖周栋吴立刚姚蔚然李鹏哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

利用单目相机对空间非合作目标进行准确的姿态估计对于空间碎片清除、自主交会和其他在轨服务至关重要。然而,单目姿态估计方法缺乏深度信息,导致尺度不确定性问题,大大降低了其精度和实时性。本文首先提出了一种多尺度注意块(Multi-sca... 详细信息

利用单目相机对空间非合作目标进行准确的姿态估计对于空间碎片清除、自主交会和其他在轨服务至关重要。然而,单目姿态估计方法缺乏深度信息,导致尺度不确定性问题,大大降低了其精度和实时性。本文首先提出了一种多尺度注意块(Multi-scale attention block, MAB),从输入图像中提取复杂的高维语义特征。其次,基于MAB模块,提出了空间非合作目标6自由度位姿估计的密集多尺度注意网络(Dense multi-scale attention network, DMANet),该网络由平面位置估计、深度位置估计和姿态估计3个分支组成,通过引入基于欧拉角的软分类方法,将位姿回归问题表述为经典分类问题。此外,设计了空间非合作目标模型,并利用Coppeliasim构建了姿态估计数据集。最后,与其他最先进的方法相比,在SPEED+、URSO数据集和本文数据集上全面评估了所提出的方法。实验结果表明,该方法具有较好的姿态估计精度。

关键词：六自由度位姿估计空间非合作目标多尺度注意力机制深度学习神经网络