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面向航天器自主维护的空间机器人发展战略研究

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中国工程科学 2024年第1期26卷 149-159页

作者：赵亮亮李雪皑赵京东刘宏哈尔滨工业大学机器人技术与系统全国重点实验室哈尔滨150006

空间机器人能够适应空间极端环境,突破人类太空探索的极限,极大地提高空间操控的安全性和经济性,是提升空间科学技术水平的核心装备,可为航天事业发展提供重要支撑和有力保障。本文详细阐述了发展航天器自主维护空间机器人技术对于推动... 详细信息

空间机器人能够适应空间极端环境,突破人类太空探索的极限,极大地提高空间操控的安全性和经济性,是提升空间科学技术水平的核心装备,可为航天事业发展提供重要支撑和有力保障。本文详细阐述了发展航天器自主维护空间机器人技术对于推动我国航天强国建设、促进国防科技发展以及引领变革性技术创新等方面的重大价值;从政策、技术、市场等角度,分析了国内外空间机器人的发展现状及趋势;剖析了目前我国航天器自主维护空间机器人的技术挑战与面临问题;基于国家重大战略需求、研究基础及发展方向,论证了面向航天器自主维护空间机器人的发展体系和突破路径。研究建议:加快科技创新2030—在轨服务重大专项实施,加大空间机器人智能操控基础研究支持力度,加速构建政府-企业-高校协同发展创新机制,加强空间机器人国际合作、引进国际高端人才。

关键词：空间机器人航天器自主维护智能操控太空作业太空经济

基于元启发式优化的机器人智能体无碰撞轨迹规划

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载人航天 2024年第4期30卷 510-515页

作者：谢宗武马博宇孙万东杨晓航姬一明谢光虎哈尔滨工业大学机器人技术与系统全国重点实验室哈尔滨150001

针对机器人智能体在复杂三维环境中的安全运动,提出一种基于元启发式优化的无碰撞轨迹规划方案。轨迹点采用五次样条插值,以确保运动轨迹足够平滑,且起始点和目标点的速度与加速度均为零。以轨迹长度最短为优化目标,将轨迹与障碍物的最... 详细信息

针对机器人智能体在复杂三维环境中的安全运动,提出一种基于元启发式优化的无碰撞轨迹规划方案。轨迹点采用五次样条插值,以确保运动轨迹足够平滑,且起始点和目标点的速度与加速度均为零。以轨迹长度最短为优化目标,将轨迹与障碍物的最近距离限制在约束条件中,从而表述为一个优化问题,并采用基于元启发式的灰狼算法进行求解。随后,在复杂的三维地形中对该方案开展2个模拟仿真。结果表明:该方案能够有效地在规划空间内求解出预定数目的最优轨迹插值点,通过五次样条插值形成的轨迹长度达到最短,且不与障碍物发生任何碰撞。

关键词：机器人智能体轨迹规划无碰撞五次样条插值灰狼算法元启发式

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可穿戴柔性上肢外骨骼的研究进展与展望

哈尔滨工业大学学报 2024年第8期56卷 1-16页

作者：戴一鸣陈嘉琛刘晨东杨大鹏赵京东机器人技术与系统全国重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨150001

为研究可穿戴柔性上肢外骨骼的发展现状和其面临的关键技术难题,对目前该领域的文献进行了分析与总结。外骨骼可以有效地提供保护、支撑等功能,解决高强度重复性工作导致的肢体疲劳和身体机能衰退,以及中风或职业病导致的肢体运动障碍... 详细信息

为研究可穿戴柔性上肢外骨骼的发展现状和其面临的关键技术难题,对目前该领域的文献进行了分析与总结。外骨骼可以有效地提供保护、支撑等功能,解决高强度重复性工作导致的肢体疲劳和身体机能衰退,以及中风或职业病导致的肢体运动障碍。此外,它们有能力通过额外的动力和功能来恢复或增强人类的运动能力。可穿戴柔性外骨骼作为一种新兴的外骨骼发展方向,相较于传统的刚性外骨骼,具有结构柔顺、人机交互性好和穿戴舒适性好等明显优势。首先,本研究结合柔性上肢外骨骼的3种主要驱动方式(绳驱、气动、形状记忆合金),详细解析不同驱动方式的相关研究成果和相应结构特点。然后,从结构、材料、控制、辅助4个方面分析和阐述如今柔性上肢外骨骼面临的关键技术挑战。最后,结合外骨骼在不同领域应用的需求,推测未来柔性上肢外骨骼技术将向灵活化、舒适化、顺应化、智能化方向发展。研究表明,可穿戴柔性上肢外骨骼的技术尚处于初始阶段,仍有许多技术难题亟需解决,同时,新型的柔性执行器,柔性传感器等可为关键技术难题的突破提供参考。

关键词：可穿戴外骨骼柔性上肢外骨骼人机交互研究现状发展趋势

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寒区电动公交充电站选址及定容规划研究

交通运输系统工程与信息 2024年第2期24卷 281-292页

作者：胡晓伟宋帅邱振洋王健哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨150090 哈尔滨工业大学黑龙江省智能交通管理与技术重点实验室哈尔滨150090

寒区低温环境导致电动公交动力电池容量衰减,充电设施服务范围及规划数量受到影响,给电动公交充电站选址及定容规划带来挑战。为提高电动公交充电站的低温适应性,提出针对寒区电动公交充电站的选址算法及定容模型。首先,在选址规划中,... 详细信息

寒区低温环境导致电动公交动力电池容量衰减,充电设施服务范围及规划数量受到影响,给电动公交充电站选址及定容规划带来挑战。为提高电动公交充电站的低温适应性,提出针对寒区电动公交充电站的选址算法及定容模型。首先,在选址规划中,构建充电站渐进覆盖服务半径,利用改进近邻传播聚类算法确定充电站选址点,基于算法聚类中心构建充电站Voronoi图划分充电集群。其次,在定容规划中,构建动力电池低温容量衰减模型,确定寒区电动公交的充电需求;基于容量有限的截尾排队论模型建立充电站有效服务强度、拒绝服务率及充电满意度等约束;引入成本权衡系数,以规划年限内全社会成本最小为优化目标,建立寒区充电站定容规划模型,并设计遗传算法进行求解。最后,以哈尔滨市市区电动公交充电站选址定容规划为例进行分析,算例结果得到9个充电站选址点及其充电集群,以及各充电站的充电机配置数量和各项成本。针对环境温度和成本权衡系数进行灵敏度分析,结果表明:寒区低温环境对充电站的充电机配置数量和各项成本有显著影响,合理权衡充电站和电动公交两者利益有助于提高充电服务满意度,降低全社会成本。

关键词：城市交通选址定容规划近邻传播聚类算法电动公交充电站寒区低温环境电池容量衰减

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空间机器人的同伦类约束路径规划

上海航天（中英文） 2024年第3期41卷 63-73页

作者：姚蔚然田昊宇张欧阳曾祎孙光辉吴立刚哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001 复杂系统控制与智能协同全国重点实验室北京100074

同伦类约束路径规划是空间机器人路径规划的一种重要技术手段,能够有效实现复杂约束条件下路径规划的运算轻量化,具有重要的理论意义和应用价值。同伦路径规划以同伦这一数学工具作为基础,将空间机器人的可行路径集限制在范围有限且具... 详细信息

同伦类约束路径规划是空间机器人路径规划的一种重要技术手段,能够有效实现复杂约束条件下路径规划的运算轻量化,具有重要的理论意义和应用价值。同伦路径规划以同伦这一数学工具作为基础,将空间机器人的可行路径集限制在范围有限且具有良好函数性质的同伦结构中,在该结构中进行优化路径的搜索,在保证路径规划有效性的同时降低了算法的复杂性。介绍了基于同伦的路径规划近似算法框架,以及路径同伦构造和规划问题的求解。从面向约束的路径同伦构造方法和同伦优化搜索2个层面分析了近年来针对空间机器人同伦路径规划研究的进展。根据研究现状,对空间机器人的同伦类约束路径规划的未来发展进行了展望。

关键词：空间机器人路径规划近似算法同伦类任务性能优化目标

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变体飞行器变形策略与控制方法研究进展

战术导弹技术 2024年第4期 1-15页

作者：王帅晁涛韩宇辰杜鹤哈尔滨工业大学控制与仿真中心复杂系统建模与仿真全国重点实验室哈尔滨150001

变体飞行器可以根据任务需求改变自身气动特性和控制特性,具备跨空域、宽速域飞行能力,可适应多种复杂任务。针对变体飞行器的重要研究价值,整理了变体飞行器的发展历程,介绍常见的变体飞行器变形方式,并列举了各时期研制的代表性飞行... 详细信息

变体飞行器可以根据任务需求改变自身气动特性和控制特性,具备跨空域、宽速域飞行能力,可适应多种复杂任务。针对变体飞行器的重要研究价值,整理了变体飞行器的发展历程,介绍常见的变体飞行器变形方式,并列举了各时期研制的代表性飞行器。对变体飞行器变形策略进行归纳分析,对比了传统变形策略和智能变形策略的优劣。围绕变体飞行器的姿态控制方法,详细阐述了国内外主要研究成果和最新研究进展。最后对变体飞行器未来发展趋势进行梳理,并针对变体飞行器变形策略与控制技术目前研究成果的优缺点进行了总结。

关键词：变体飞行器传统变形策略智能变形策略线性控制非线性控制智能控制

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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 2024年

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) 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)

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... 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，对发展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：区域医疗系统医院交通系统抗震韧性功能评估恢复时间

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基于卷积神经网络的地面尾喷焰流场预测

力学学报 2024年第4期56卷 980-990页

作者：闫盼盼牛青林高文强董士奎中北大学机电工程学院太原030051 哈尔滨工业大学工信部空天热物理重点实验室哈尔滨150001

针对采用传统计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法计算火箭发动机尾喷焰耗时较大的问题,提出了一种基于卷积神经网络方法的地面尾喷焰反应流场智能预测模型,用于实时、快速生成典型发动机型谱参数条件下的高精度喷焰... 详细信息

针对采用传统计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法计算火箭发动机尾喷焰耗时较大的问题,提出了一种基于卷积神经网络方法的地面尾喷焰反应流场智能预测模型,用于实时、快速生成典型发动机型谱参数条件下的高精度喷焰流场结果.以固体弹道评估发动机(ballistic evaluation motor Ⅱ, BEM-Ⅱ)为研究对象,在一定发动机型谱参数范围内采用拉丁超立方抽样方法抽选样本空间,将基于CFD方法计算的40个尾喷焰稳态流场样本作为模型训练数据集.采用编码器-解码器结构,引入并行解码器、反卷积层和瓶颈层,使模型能够在数量较少的样本下取得良好的训练效果.采用试车实验数值结果验证和评估了不同欠膨胀状态下尾喷焰流场智能预测模型CNN-PLUME的预测性能.结果表明:建立的尾喷焰智能预测模型回归系数接近于1,模型鲁棒性强;可实时生成尾喷焰反应流场结果,模型效率高;喷焰流场预测结果与试验校核数据高度一致,模型预测精度高;在不同欠膨胀状态下尾喷焰流场最大误差为14.17%,模型泛化能力较强.该模型可为地面试车尾喷焰流场规律以及发动机型谱参数设计提供方法支撑.

关键词：固体火箭发动机尾喷焰卷积神经网络智能预测复燃

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飞行器集群安全控制关键问题与技术探讨

兵工学报 2024年

作者：秦伯羽张栋唐硕西北工业大学航天学院陕西省空天飞行器设计重点实验室

飞行器集群是智能无人技术与网络化技术深度融合的重要形态，是现代军事对抗与社会生活的重要新质力量，具有显著的军用价值和民用前景。然而，复杂空域环境、动态飞行冲突、信息交互受限和信息估计不精确等因素为集群飞行带来了安全挑... 详细信息

飞行器集群是智能无人技术与网络化技术深度融合的重要形态，是现代军事对抗与社会生活的重要新质力量，具有显著的军用价值和民用前景。然而，复杂空域环境、动态飞行冲突、信息交互受限和信息估计不精确等因素为集群飞行带来了安全挑战。安全控制是保障飞行器集群高效协同的关键。结合集群系统和任务场景特点，从时空和信息两个维度总结了飞行器集群安全的关键问题；提出了基于OODA环思想的集群安全控制的研究框架；从非结构飞行环境、集群运动行为、受限信息交互和不确定状态估计等方面，探讨了集群安全的相关概念、模型描述和效能评估，阐述了集群安全控制的基本方案及关键技术；给出了对飞行器集群安全控制未来智能化发展的思考，为构建更为完善的集群安全技术体系提供参考和启发。

关键词：飞行器集群安全控制集群控制协同轨迹规划自组网