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激光角反射器:从月球激光测距到天体探测基础设施

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宇航学报 2024年第5期45卷 661-679页

作者：严一粟郭继峰哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

激光测距已成为太阳系内检验等效原理与洛仑兹破缺、测定后牛顿参数与引力常数时变等引力与相对论物理学研究的强大工具。为此,对激光角反射器在自然天体探测中的应用与发展进行了概述与分析。简单陈述激光角反射器的历史沿革后,首先介... 详细信息

激光测距已成为太阳系内检验等效原理与洛仑兹破缺、测定后牛顿参数与引力常数时变等引力与相对论物理学研究的强大工具。为此,对激光角反射器在自然天体探测中的应用与发展进行了概述与分析。简单陈述激光角反射器的历史沿革后,首先介绍了数个有待或正在实施的包含激光角反射器部署的天体探测计划。其次,基于激光角反射器与激光测距资料的已有工程经验,描述了激光角反射器在天体探测中承担的科学任务与关键技术问题。最后,以本世纪新一代激光角反射器与收发光源革新为背景,预测了激光角反射器及其激光测距的发展趋势,并针对无人与载人月球探测,对激光角反射器在新阶段天体探测中的使用提出建议。

关键词：激光角反射器月球激光测距引力与相对论物理学天体物理学天体探测

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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

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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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

基于Riemann-Liouville分数阶模型的Buck变换器改进分数阶互补滑模控制

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控制与决策 2024年第8期39卷 2647-2655页

作者：蔡中泽孙谷昊曾庆双哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

主要研究分数阶Buck变换器的互补滑模控制(CSMC)方法.首先,基于电子元件实际非整数阶的特性与Riemann-Liouville(R-L)定义相比,Caputo定义更能准确描述Buck变换器模型的结论,建立基于R-L定义的分数阶Buck变换器数学模型.然后,将参数不... 详细信息

主要研究分数阶Buck变换器的互补滑模控制(CSMC)方法.首先,基于电子元件实际非整数阶的特性与Riemann-Liouville(R-L)定义相比,Caputo定义更能准确描述Buck变换器模型的结论,建立基于R-L定义的分数阶Buck变换器数学模型.然后,将参数不确定性和外部扰动统一为匹配干扰和不匹配干扰,建立两个分数阶干扰观测器(FDOB)分别实现对干扰及其分数阶导数的跟踪.进而,设计新型分数阶互补滑模面,利用CSMC的高精度和分数阶微积分的记忆特性提升滑模运动的鲁棒性和稳态精度;设计新型趋近律,提升趋近速度的同时保证滑模面邻域内的鲁棒性.最后,基于Mittag-Leffler稳定性理论证明滑模控制器的稳定性.仿真结果验证了所提出FDOB的优越性,控制器相比传统滑模方法能够得到更好的动态性能和更低的稳态误差.

关键词：分数阶微积分 Riemann-Liouville Buck变换器不匹配干扰干扰观测器分数阶互补滑模控制 Mittag-Leffler稳定性

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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

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航天器姿态控制群体博弈分布式分配方法

宇航学报 2024年第3期45卷 452-461页

作者：刘浩然叶东肖楠孙兆伟哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对由多个细胞星构成的组合卫星的姿态控制问题,提出了一种包含控制力矩计算层与冗余力矩分配层的双层姿态控制方法。将细胞星间的冗余力矩分配问题转化为群体博弈的策略选择问题,综合考虑能量消耗、飞轮输出力矩裕度和飞轮角动量裕度... 详细信息

针对由多个细胞星构成的组合卫星的姿态控制问题,提出了一种包含控制力矩计算层与冗余力矩分配层的双层姿态控制方法。将细胞星间的冗余力矩分配问题转化为群体博弈的策略选择问题,综合考虑能量消耗、飞轮输出力矩裕度和飞轮角动量裕度设计收益函数,以力矩分配系数作为群体质量,以细胞星作为策略建立群体博弈模型。考虑群体演化中模仿和比较形成的不同演化策略,分别采用Smith动力学以及复制器动力学修订协议求解博弈的Nash均衡解,并利用有限制策略的群体博弈理论形成分布式冗余力矩分配方式,得到各个细胞星的控制策略。最后通过仿真实验验证了此分配方式的有效性。

关键词：细胞星力矩分配群体博弈 Nash均衡分布式姿态控制

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基于二阶全驱系统的航天器姿态避障控制

航空学报 2024年第1期45卷 94-102页

作者：鲁明陈雪芹吴凡曹喜滨哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001

针对航天器大角度姿态机动任务,考虑存在姿态禁止区域和干扰力矩影响,提出一种基于全驱系统模型的姿态机动控制方法。基于三维特殊正交群直接描述姿态运动并基于其李代数——指数坐标建立了误差姿态二阶全驱模型;提出基于三维特殊正交... 详细信息

针对航天器大角度姿态机动任务,考虑存在姿态禁止区域和干扰力矩影响,提出一种基于全驱系统模型的姿态机动控制方法。基于三维特殊正交群直接描述姿态运动并基于其李代数——指数坐标建立了误差姿态二阶全驱模型;提出基于三维特殊正交群的障碍李雅普诺夫函数,保证在其有界情况下姿态约束得到遵守;最后提出包含障碍李雅普诺夫函数的总李雅普诺夫函数,使用滑模技术并结合二阶全驱模型中参数矩阵的性质消除导数中的非线性项得到简洁的控制律。数值仿真结果显示,在所提出的控制方法作用下,航天器能够避开姿态禁止区域并收敛于期望姿态,并且稳态误差和控制能耗相比现有同类方法表现优异。

关键词：全驱系统李群指数坐标姿态机动控制障碍李雅普诺夫函数

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月壤-柔性充气膜组合式防护层力热性能分析

宇航学报 2024年第5期45卷 778-789页

作者：迟海义袁帅潘文特高飞宇张泽旭王永滨哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 哈尔滨工业大学建筑学院哈尔滨150090 北京空间机电研究所北京100094

面向未来月球驻人基地建设速度快、运输成本低、可靠性高的需求,提出了月壤-柔性充气膜组合式防护层结构与刚性舱体相结合的月球基地建造方案。该建造方案以柔性充气膜作为主体承力结构,下方放置刚性舱体。对柔性充气膜单元进行模态分析... 详细信息

面向未来月球驻人基地建设速度快、运输成本低、可靠性高的需求,提出了月壤-柔性充气膜组合式防护层结构与刚性舱体相结合的月球基地建造方案。该建造方案以柔性充气膜作为主体承力结构,下方放置刚性舱体。对柔性充气膜单元进行模态分析,探究柔性充气膜单元固有振动频率与内压、覆盖月壤的厚度的关系,通过调整防护层参数改变结构频率从而避免与月震发生共振;在柔性充气膜上覆盖松软月壤并烧结表层月壤,通过热学与辐射仿真分析,对松软月壤隔热效果与防护层屏蔽辐射效果进行模拟,确定二者厚度,并对隔热性能与物性参数的敏感性进行探究;通过力学分析,探究柔性充气膜在给定厚度防护层下的变形量与膜厚、内压、肋径的关系。计算与仿真结果表明,该建造方案可以有效应对月面粒子辐射、月震与大交变温差环境,结构具有良好的力学稳定性,可为未来月球基地建造方式提供参考。

关键词：月球基地月壤-柔性防护层极端温度静力学分析