改进型A^(*)算法的可重构机器人路径规划研究

路径规划是保证可重构机器人快速完成任务的关键技术之一。为提高可重构机器人的行驶效率,缩短行驶路径,首先,提出一种基于Bresenham直线算法思想的改进型A^(*)路径规划算法,实现可重构机器人路径点数消减、拐点消除,提高路径平滑度。在此基础上,考虑可重构机器人本身体积以及机器人可重构的特性,建立可重构机器人构型库,讨论了可重构机器人体积与周围障碍物的关系,减少机器人行走过程中与障碍物的碰撞几率。利用MATLAB仿真平台对改进型A^(*)路径规划算法进行仿真实验,验证了算法的有效性,可应用于复杂环境的机器人路径规划;分析了机器人重构后路径规划问题,利用可重构特性可缩短机器人运行路程,体现了可重构机器人的优越性。

基于构型空间法的机器人路径规划研究

提出了一种静态环境下的机器人路径规划仿生算法,该算法用构型空间法对场景进行建模,模拟蚂蚁群体觅食的智能行为,由多只蚂蚁协作完成最优路径的搜索。搜索过程在基于蚁群优化算法的基础上增加了最近邻居策略和目标导引函数,使搜索过程快速高效。并在实验环境中对机器人路径规划进行仿真,结果显示在多障碍物下也能迅速规划出最优路径,表明研究的可行性和有效性。

基于差分进化算法的导航星座在轨重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出了对在轨卫星进行相位机动的方法来对星座的空间构型进行重构,以实现修复和改善星座性能的目的。首先,利用共面高轨和共面低轨变相的方式来对在轨卫星的相位进行调整,建立共面轨道相位机动的数学模型;其次,提出了除重构时间和重构能量外的其他重构指标,包括重构能量均衡度和重构构型恢复性,并建立了各重构指标的数学模型;然后,建立了重构构型的优化模型,并对优化问题中个体的评价手段与编码方式进行设计;最后,以北斗中MEO卫星失效为例,利用差分进化算法对优化模型进行求解,得到以不同重构指标为目标函数下的Pareto前沿。从结果中可以看出该重构方法对星座性能的提升最大可以达到41.2%,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,重构能量、重构构型的均衡度、重构构型的健壮性的数量级均维持在-1、-3和0的水平。

低轨互联网星座发展研究

近年来,随着互联网用户激增,SpaceX、OneWeb等创新型企业纷纷计划打造低轨互联网星座,引发全球低轨卫星互联网星座的发展热潮。因此,研究国内外低轨互联网星座的发展情况及当前面临的技术难题有着很重要的意义。基于此,介绍了国外具有代表性的3个低轨互联网星座计划(Starlink、OneWeb、Lightspeed)及国内星座的最新发展情况;根据低轨互联网星座的特点,着重分析了低轨互联网星座面临的五大技术挑战:星座相对运动演化预报、星座自主导航与定轨、星座构型重构的路径规划、星座自组织协同构型控制、星座通信与网络服务;根据当前低轨互联网星座的发展趋势,对中国在低轨互联网星座的发展给出了建议。

一种微纳航天器编队的故障构型重构方法

针对微纳航天器编队可能发生故障的问题,研究了编队的故障重构方法。当编队中某颗航天器出现故障时,在保证燃料最省和碰撞规避的原则下,通过线性规划方法完成故障航天器飞离系统,以及在有、无备份航天器两种情况下的编队构型重构,提出故障后的构型重构措施,实现编队的故障重构。仿真结果表明,该故障重构方法实现了微纳航天器编队在故障情况下的构型重构,保证了飞行任务的可靠性和稳定性。

自重构机器人空间重构规划策略研究

本文基于链式自重构机器人提出了一种无标号、分布式的空间重构规划策略,研究自重构机器人的构型表达和空间重构运动.首先对自重构机器人进行了拓扑的描述,然后建立坐标系,描述整个机器人的空间状态,将重构理论从构型重构拓展到空间运动规划,来处理未知非结构环境下全局检测、控制与定位问题.最后介绍了重构规划的方法,并通过Webots对五个模块的自重构机器人系统变形进行仿真,证明了上述方法的有效性和可行性.

卫星导航系统失效性能分析与重构方法研究

以建成后的北斗卫星导航系统为对象,研究导航星座中有卫星失效下的星座性能和重构方法.分析不同失效模式下导航星座的服务性能,在此基础上建立导航星座重构构型的优化模型和基于遗传算法的导航星座重构构型优化设计方法;研究星座构型重构过程中卫星的机动策略和机动模型;针对某一具体的失效情况通过仿真计算验证重构模型的有效性和准确性并给出该失效情况下构型重构的机动方案.

电磁航天器编队动力学建模与运动规划方法

基于电磁航天器作用原理,利用拉格朗日方法,建立电磁航天器'绳系'动力学模型.基于偏差线性化动力学模型,以切向、径向编队为例,分析编队构型保持稳定性,设计构型保持控制律;将双星电磁航天器编队(EMFF,Electromagnetic Formation Flight)重构运动规划问题转化为标准优化问题,利用高斯伪谱优化方法进行求解.并提出序列控制策略,将该双星模型扩展应用于多星电磁编队构型重构问题,转化为多阶段运动规划问题利用多阶段优化方法进行求解.仿真结果表明本文的动力学建模方法和控制方法是可行的.

复杂构型金属橡胶毛坯铺设路径规划

基于金属橡胶毛坯自动化铺设工艺,对遗传算法进行合理改进,进行了复杂构型金属橡胶毛坯铺设的定位销优化设计和路径规划。针对定位销优化设计和路径规划问题,建立了改进的编码、交叉、变异算子,并提出评价因子对遗传算法的迭代过程进行评价。优化的定位销排布和铺设路径可以较好地实现复杂构型金属橡胶毛坯铺设,铺设10层时,优化路径对应的目标函数b的值比经验路径小54%,路径规划作用显著。单层路径规模对铺设效果影响较小;单层路径规模不同时,毛坯内部接触状态随着铺设螺旋卷长度的增加趋于一致。为复杂构型金属橡胶毛坯铺设提供了理论依据。

高维构型空间线性图元的自适应连续碰撞检测

为了高效地建立无碰撞路径地图,针对如何在构型空间中构建无碰撞线性图元的问题,提出了自适应连续碰撞的检测算法.该算法在对线性图元进行连续碰撞检测之前,通过对比同一构型下两物体间欧氏距离的最小值及不同构型下物体最大移动距离的关系,来决定是否对线性图元采取二等分分割的细分检测,有效地减少了冗余的碰撞检测次数,提高地图构建效率.利用高维机器人系统进行仿真验证,在给定机器人起始和终止构型的情况下规划出无碰撞路径,所提的自适应碰撞检测算法相比于固定检测精度的方法的计算效率提高25.1%~84.1%.

冗余空间机械臂试探性搜索障碍规避策略

针对冗余空间机械臂的路径规划问题,研究了在构型空间内进行试探性搜索障碍规避的规划方法。在工作空间中对凸多面体障碍物进行碰撞检测算法研究,在此基础上建立7自由度冗余机械臂无碰撞的目标构型求解策略,并提出一种无碰撞路径试探性搜索算法,设计在构型空间中的机械臂路径试探算法,可在检测到碰撞后自主调整路径。仿真结果表明:与常规构型空间避障算法相比,本文提出的试探性搜索算法效率提升了17.89%。

一种基于信息一致性的卫星编队协同控制策略

提出一种基于信息一致性的分布式协同控制策略,实现了卫星编队的构型建立、保持与整体机动。首先根据编队各星的初始相对状态,应用一阶一致性算法,协商估计出编队整体系统基准参考点的相对状态;再根据编队整体系统模型预测方程,以凸优化方法规划出期望重构机动路径;之后设计了基于二阶一致性算法的反馈协同控制律,使各星彼此协同地跟踪期望路径与构型、整体机动参考信息,并证明了系统的稳定性。仿真结果表明:只要在基准参考点一致性估计过程中信息拓扑图中存在最大生成树,该策略就能实现卫星编队的协同机动;反馈协同控制律能有效消除相对初始状态误差与地球非球形摄动J2项引起的各星状态偏离,并具有较好的容错性;与传统方法相比,本文方法在燃料消耗总量与均衡性方面均有所改善,且在构型快速建立或重构时,燃料消耗总量方面优势较为明显。