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相对论体系下卫星原时及星间钟差机理建模

宇航学报 2024年第3期45卷 366-375页

作者：贾前李青刘磊西北工业大学航天学院西安710072 陕西省空天飞行器设计重点实验室西安710072 清华大学航天航空学院北京100084

面向新一代导航卫星对高精度自主时间基准的需求,针对皮秒级星间钟差机理不清晰问题,在广义相对论体系下提出一种卫星原时以及星间皮秒钟差模型,该模型可基于卫星状态计算星载原子钟相对参考时钟的偏差以及星间钟差。首先从地心参考坐... 详细信息

面向新一代导航卫星对高精度自主时间基准的需求,针对皮秒级星间钟差机理不清晰问题,在广义相对论体系下提出一种卫星原时以及星间皮秒钟差模型,该模型可基于卫星状态计算星载原子钟相对参考时钟的偏差以及星间钟差。首先从地心参考坐标系的度规张量出发,利用广义相对论建立了卫星的运动模型;然后,根据时空间隔的不变性,提出考虑地球非球形J2摄动项的卫星原时模型,并进一步给出了包含J2项修正的星间钟差模型。最后以北斗卫星导航系统和GPS为研究对象对建立的模型进行了仿真分析,为新一代导航系统的时间校准和同步提供了一种可行的建模方法。仿真结果表明,卫星原时模型与星间钟差模型的精度都在皮秒量级,能够准确地计算星载原子钟在引力场中的原时偏差以及星间钟差。

关键词：导航卫星星间钟差时间校准与同步广义相对论北斗卫星导航系统

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超大型多模块结构组装过程动力学与姿态控制

力学学报 2024年第2期56卷 446-459页

作者：符康琦张乐榕李庆军邓子辰吴志刚蒋建平中山大学航空航天学院广东深圳518107 西北工业大学航空学院西安710072

机器人在轨自主组装是未来建造超大型航天结构最具潜力的方式.超大型结构通常包含多个模块,需要机器人在柔性结构上反复进行抓捕、安装和爬行等操作.此外,组装过程中结构还受到空间环境干扰力的影响,需要经历构型的增长和参数的变化,导... 详细信息

机器人在轨自主组装是未来建造超大型航天结构最具潜力的方式.超大型结构通常包含多个模块,需要机器人在柔性结构上反复进行抓捕、安装和爬行等操作.此外,组装过程中结构还受到空间环境干扰力的影响,需要经历构型的增长和参数的变化,导致其动力学行为非常复杂.为了研究机器人空间组装超大型多模块结构的过程,提出了一套轨道-姿态-结构耦合动力学、规划与控制的仿真框架.首先,采用自然坐标法和绝对节点坐标法建立主结构、空间机器人和组装模块的轨道-姿态-结构耦合动力学模型,采用Kelvin-Voigt线性弹簧阻尼模型描述机器人末端夹持机构和模块对接机构的接触碰撞.然后,对机器人进行运动规划、轨迹规划和关节轨迹跟踪控制研究.最后,采用不同的组装姿态和不同的姿态控制方案对组装过程进行动力学仿真.仿真结果表明,由于质心位置的改变和组装模块的轨道差异,主结构在组装过程中可能会出现显著的轨道漂移(取决于组装姿态).如果模块沿轨道半径方向组装到主结构,将导致组装过程长半轴和离心率出现快速增长;反之,如果模块沿轨道切向组装,长半轴和离心率基本保持不变.此外,即使采用了万有引力梯度稳定的组装姿态,仍需进行姿态控制和结构振动控制,以减小结构振动幅值,降低机器人与结构的碰撞风险,提高组装精度和组装效率.

关键词：超大型航天器空间机器人空间组装刚柔耦合动力学绝对节点坐标法

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空间桁架在轨装配机器人的运动规划方法

系统工程与电子技术 2024年第2期46卷 715-721页

作者：刘聪李海锋王明明罗建军中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所陕西西安710076 空军装备部驻西安地区第五军事代表室陕西西安710065 西北工业大学航天学院陕西西安710072

提出一种利用机器人完成空间桁架在轨装配的设计方案,并针对其中机器人的无碰运动规划问题,提出一种引入启发信息的运动规划方法。首先,设计了装配机器人和空间桁架系统;随后,引入基于距离场的碰撞检测算法进行空间中的障碍检测,并利用... 详细信息

提出一种利用机器人完成空间桁架在轨装配的设计方案,并针对其中机器人的无碰运动规划问题,提出一种引入启发信息的运动规划方法。首先,设计了装配机器人和空间桁架系统;随后,引入基于距离场的碰撞检测算法进行空间中的障碍检测,并利用随机轨迹优化框架下的运动规划(stochastic trajectory optimization for motion planning,STOMP)算法进行机器人无碰运动规划;针对其中随机叠加轨迹方向不确定导致的规划效率低的问题提出了启发式STOMP(heuristically STOMP,hSTOMP)运动规划算法。仿真结果表明该算法能够快速得到机器人的无碰平滑关节轨迹,其中启发信息的引入大大提高了原算法的规划效率,具有一定的理论意义和应用价值。

关键词：在轨装配机器人随机优化运动规划

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面向冗余机械臂避障运动规划的触控交互技术

系统工程与电子技术 2024年第1期46卷 254-260页

作者：张宝琛惠建江张琦刘正雄黄攀峰西北工业大学航天学院陕西西安710072 北京跟踪与通信技术研究所北京100094 中国航天空气动力技术研究院北京100074

针对冗余自由度机械臂运动控制中人机交互性不强、避障算法较为复杂且躲避非结构化障碍较为困难的问题,提出一种面向冗余机械臂避障运动规划的触控交互方法。通过坐标系转换的方式将交互设备屏幕坐标进行变换实现触控交互,并通过柱面避... 详细信息

针对冗余自由度机械臂运动控制中人机交互性不强、避障算法较为复杂且躲避非结构化障碍较为困难的问题,提出一种面向冗余机械臂避障运动规划的触控交互方法。通过坐标系转换的方式将交互设备屏幕坐标进行变换实现触控交互,并通过柱面避障运动规划,提高交互效率。基于虚幻引擎设计触控交互演示软件,利用触控交互实现了冗余机械臂的运动避障仿真。与传统方法相比,既兼顾了人机交互的友好性,又提升了机械臂运动规划的操作效率和可理解性。

关键词：冗余机械臂避障运动规划触控交互

考虑多环节间隙非线性的电动舵机多学科耦合动力学建模

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北京航空航天大学学报 2024年

作者：杨石琳乔凯俐万晓忠段绵超郭宁徐超中国飞行试验研究院西北工业大学航天学院湖北航天技术研究院总体设计所

由于设计和装配过程中的不确定性，航空航天电动舵机传动系统中往往在多个环节存在着间隙等非线性因素，其对电动舵机的工作品质有着重要影响。因此，准确建立电动舵机非线性动力学模型十分必要。同时，电动舵机又是包括伺服控制、电机... 详细信息

由于设计和装配过程中的不确定性，航空航天电动舵机传动系统中往往在多个环节存在着间隙等非线性因素，其对电动舵机的工作品质有着重要影响。因此，准确建立电动舵机非线性动力学模型十分必要。同时，电动舵机又是包括伺服控制、电机传动、减速机构、结构弹性等多个学科的复杂动力学系统，建模挑战性很大。本文以典型的滚珠丝杠式电动舵机为研究对象，考虑舵机传动元件的弹性刚度以及齿轮副、支撑轴承和拨叉处的间隙非线性，对电机动力学、伺服控制器进行精细化建模，建立了一种能考虑多环节间隙非线性的电动舵机系统高保真多学科动力学模型，并开展了电动舵机系统性能仿真分析。仿真结果与舵机-舵面系统地面振动试验结果进行了对比。结果表明：本文所建立的电动舵机多学科耦合动力学模型能够反映机构不同环节间隙非线性的影响和影响程度，仿真和试验结果吻合较好，最大误差小于10%。研究工作为航空航天复杂电动伺服系统的数字孪生研究奠定了基础。

关键词：电动舵机非线性动力学多学科耦合间隙非线性地面试验

基于控制障碍函数的欠驱动无人水下航行器椭圆障碍物避障制导

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兵工学报 2024年

作者：野汶博方洋旺洪瑞阳胡祁东西北工业大学无人系统技术研究院西北工业大学无人飞行器技术全国重点实验室西北工业大学无人机技术集成攻关大平台西北工业大学自动化学院

为保证无人水下航行器在执行海岸线巡逻、大型船只避碰以及穿越密集岛礁等复杂任务时的安全性，提出一种基于控制障碍函数的椭圆模型障碍物避障方法。通过椭圆形建模来适应细长不规则的障碍物；在此基础上设计包含艏向角约束的控制障碍... 详细信息

为保证无人水下航行器在执行海岸线巡逻、大型船只避碰以及穿越密集岛礁等复杂任务时的安全性，提出一种基于控制障碍函数的椭圆模型障碍物避障方法。通过椭圆形建模来适应细长不规则的障碍物；在此基础上设计包含艏向角约束的控制障碍函数，构建带有约束条件的二次规划问题，通过与无障碍环境下的制导律相结合，得到闭式解形式的避障制导律。仿真结果验证了所提方法的有效性，全局上满足安全性和稳定性要求，对于无人水下航行器在复杂海洋环境中的安全航行具有实际应用价值。

关键词：控制障碍函数椭圆障碍物避障制导律二次规划欠驱动无人水下航行器

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超高速飞行器自适应模糊超螺旋控制律设计

上海航天（中英文） 2024年第3期41卷 17-24,36页

作者：岳晓奎郭容義丁一波王玉浩西北工业大学航天学院陕西西安710072 西北工业大学深圳研究院广东深圳518063 西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室陕西西安710072 北京机电工程研究所北京100074

针对超高速飞行器多源扰动下高精强鲁棒控制需求,提出了一种自适应模糊超螺旋控制律。首先,给出控制导向的超高速飞行器姿态模型;其次,采用广义超螺旋算法设计控制器,实现滑模变量与跟踪误差的高精收敛;同时,引入高阶齐次观测器估计飞... 详细信息

针对超高速飞行器多源扰动下高精强鲁棒控制需求,提出了一种自适应模糊超螺旋控制律。首先,给出控制导向的超高速飞行器姿态模型;其次,采用广义超螺旋算法设计控制器,实现滑模变量与跟踪误差的高精收敛;同时,引入高阶齐次观测器估计飞行器复杂扰动,并在控制律中做前馈补偿以提高算法鲁棒性。针对控制增益选取问题,基于模糊算法,通过融合专家经验,建立控制增益与滑模变量直接关联。相较传统自适应方法,该自适应律可实现控制增益快速调节整定,同时兼顾系统响应速度、鲁棒性与抖振抑制需求。最后,以考虑复杂多源干扰的超高速飞行器为对象进行仿真,结果证明了自适应模糊超螺旋控制律的有效性。

关键词：超高速飞行器广义超螺旋算法高阶齐次观测器模糊算法自适应控制

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基于LSTM-DDPG的再入制导方法

系统工程与电子技术 2024年

作者：闫循良王宽张子剑王培臣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北京宇航系统工程研究所

针对现有基于深度确定性策略梯度（deep deterministic policy gradient，DDPG）算法的再入制导方法计算精度较差，对强扰动条件适应性不足等问题，在DDPG算法训练框架的基础上，提出了一种基于长短期记忆-深度确定性策略梯度（long sho... 详细信息

针对现有基于深度确定性策略梯度（deep deterministic policy gradient，DDPG）算法的再入制导方法计算精度较差，对强扰动条件适应性不足等问题，在DDPG算法训练框架的基础上，提出了一种基于长短期记忆-深度确定性策略梯度（long short term memory-deep deterministic policy gradient，LSTM-DDPG）的再入制导方法。该方法采用纵、侧向制导解耦设计思想，在纵向制导方面，首先针对再入制导问题构建强化学习所需的状态、动作空间；其次，确定决策点和制导周期内的指令计算策略，并设计考虑综合性能的奖励函数；然后，引入LSTM网络构建强化学习训练网络，进而通过在线更新策略提升算法的多任务适用性；侧向制导则采用基于横程误差的动态倾侧反转方法，获得倾侧角符号。以美国通用飞行器CAV-H再入滑翔为例进行仿真，结果表明：与传统数值预测-校正方法相比，所提制导方法具有相当的终端精度和更高的计算效率优势；与现有基于DDPG算法的再入制导方法相比，所提制导方法具有相当的计算效率以及更高的终端精度和鲁棒性。

关键词：再入滑翔制导强化学习深度确定性策略梯度长短期记忆网络

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鸭舵转速对双旋弹追随稳定性影响研究

航空兵器 2024年第2期31卷 71-78页

作者：王刚张润桐林海珍席柯西北工业大学航空学院西安710072 中国兵器工业导航与控制技术研究所北京100089 飞行器基础布局全国重点实验室西安710072

发展了适合双旋弹虚拟飞行仿真的高保真计算流体力学和刚体动力学耦合平台,以此为基础研究了旋转鸭舵对双旋弹弹道追随稳定性的影响。为了准确刻画双旋弹前后体的差动旋转效应,将滑移网格算法引入自研非结构混合网格流场数值模拟程序HUN... 详细信息

发展了适合双旋弹虚拟飞行仿真的高保真计算流体力学和刚体动力学耦合平台,以此为基础研究了旋转鸭舵对双旋弹弹道追随稳定性的影响。为了准确刻画双旋弹前后体的差动旋转效应,将滑移网格算法引入自研非结构混合网格流场数值模拟程序HUND3D。通过对双旋弹进行定轴转动非定常模拟,考察了不同鸭舵转速下双旋弹的流动特征与气动特性。通过耦合求解非定常雷诺平均NS方程和七自由度刚体动力学方程,实现了双旋弹不同弯度弹道的虚拟飞行仿真,分析了弹道追随过程的动力学机理,并结合气动特性分析结果研究了控制鸭舵转速改善弹道追随稳定性的策略。研究结果表明:鸭舵旋转所产生的气动干扰,能够显著影响弹体的侧向力与偏航力矩。通过控制前体鸭舵转速以产生有利于弹道追随的偏航力矩,能够在一定程度上改善弹道追随稳定性。

关键词：双旋弹虚拟飞行仿真计算流体力学滑移网格侧向力偏航力矩追随稳定性