空间惯性传感器地面隔振摆台建模与分析

空间惯性传感器是空间引力波探测任务的核心技术之一,在地面对其性能研究时不可避免地受到地面振动的影响。文章聚焦于惯性传感器悬丝悬挂地面研究方案中隔振系统的基础理论与关键技术,提出一种地面振动隔离方案并进行了建模分析。首先介绍了基于罗伯茨连杆机构的低频水平隔振方法,并对其进行了详细的理论建模;其次,分析了不同关键参数下,隔振摆台的隔振效果,确定了影响摆台隔振性能的主要因素,为下一步空间惯性传感器地面隔振系统的搭建和优化提供了一定的理论依据。

空间惯性定向姿态卫星数传链路设计

对于采用空间惯性定向姿态的卫星,其在数传设备工作期间不能保证固定安装在星体上的发射天线波束准确指向地面站,这给有效载荷高速数传提出更高技术要求.研究了这类卫星在轨运行时其姿态相对地面站的变化规律,利用STK软件提供的卫星轨道仿真分析结果,寻找数传天线波束中心轴的较好指向,得到不同天线波束宽度能够实现的卫星对地数传时间.通过研制140°波束范围内0 dBi增益天线,在链路设计上保证了传输速率85 Mbit·s^(-1)时有足够的余量.在星载设备小型化约束(质量10 kg、功耗80 W)条件下,采用小型化宽波束天线以及固态功放解决了空间惯性定向姿态卫星的有效载荷数据传输问题,设计方案满足相关任务要求.

空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展

空间引力波探测任务中的核心科学载荷之一是惯性传感器,旨在探测极其微弱的空间引力波的波纹变化。首先介绍了空间惯性传感器的探测机理和工作原理;然后从电容位移传感、静电反馈控制、地面评价3个方面介绍了惯性传感器设计的关键技术;并且对国内外惯性传感器的发展研究现状进行了梳理,可以看到惯性传感器关键指标为残余加速度噪声,国外在该指标上达到3×10^(-15)m/s^(2)/Hz^(1/2),国内与国外存在着3个量级的差距,因此开展高精度空间惯性传感器研究与设计具有重大战略意义和科学意义,是中国有望赶超世界科技前沿或领跑世界科技研究的重要方向之一。面向中国未来空间引力波探测任务中的惯性传感器需求,可以聚焦于惯性传感器控制体制策略、交流执行机参数优化、多自由度解耦控制技术、低噪声技术这四个方面的研究。

基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法

防冲钻孔机器人是冲击地压矿井卸压的关键设备,其准确定位和定姿是实现卸压作业无人化的基础和前提。通过分析国内外移动机器人及煤矿井下移动设备定位技术的特点,提出了一种基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法。在分析常规惯性传感单元定位误差类型及来源的基础上,建立了空间阵列式惯性单元数据融合模型,推导出角速度和比例加速度的融合方程,设计了空间阵列式惯性单元位姿解算流程。通过分析防冲钻孔机器人的实际运行工况,模拟了防冲钻孔机器人的曲线运动轨迹,并对钻孔机器人的位姿解算方法进行了仿真分析,仿真结果表明,在曲线运动时,空间阵列式位姿解算方法的位移和姿态角解算精度均优于原始位姿解算方法和差分式位姿解算方法。为了验证所提方法的可行性,根据现场实际情况搭建了移动载体运动工况模拟实验台,根据设定的真实轨迹曲线进行轨迹跟随及监测实验,结果表明:空间阵列式惯性单元的位姿解算精度较高,在x,y,z三轴方向的位移平均误差分别为5.83,8.76和0.84 cm,俯仰角、航偏角和横滚角的平均误差分别为0.07°,0.15°和0.06°。为了进一步验证所提方法的实用性,搭建了防冲钻孔机器人惯性单元位姿监测实验平台,进行了防冲钻孔机器人的直线行走实验,实验结果表明:基于空间阵列式惯性单元解算的钻孔机器人俯仰角、航偏角和横滚角平均误差均小于0.5°,在x,y,z三轴方向的位移平均误差均小于2.00 cm,位姿解算误差均满足实际要求,验证了所提防冲钻孔机器人位姿解算方法的可行性和有效性。

惯性沉降空间含尘气流运动及其分级效率计算

对复合多管旋风除尘器惯性沉降空间内含尘气流组织、含尘气流绕管运动进行了试验研究和数值模拟，确定了该空间的结构设计方法及其惯性沉降空间分级效率计算方法。

漂浮基双臂空间机器人姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的模糊滑模控制

本文讨论了载体姿态受控、位置不受控制的双臂空间机器人系统的控制问题。利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,建立了双臂空间机器人系统的非线性系统动力学模型。以此为基础,考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论,设计了双臂空间机器人载体姿态与两机械臂末端抓手惯性空间轨迹协调运动的滑模变结构控制方案。为了克服滑模变结构控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以便根据系统的输出来动态调节滑模变结构控制器等速趋近率的系数,从而既确保了系统的快速响应而又消除了原有的抖振。系统数值仿真,证明了上述控制方案良好的控制效果。

漂浮基双臂空间机器人惯性空间轨迹跟踪的拟增广自适应控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制的漂浮基双臂空间机器人系统的自适应控制问题。为了克服空间机器人系统动量及动量矩守恒关系的引入,使得系统动力学方程关于系统惯性参数呈非线性关系,给控制系统设计带来的困难,漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程被表示为欠驱动形式。其优点在于,相应的控制系统状态方程保持了惯常的关于系统惯性参数的线性性质。以此为基础,并借助于增广变量法,通过恰当地虚拟扩展系统的控制输入与输出,成功地克服了漂浮基双臂空间机器人系统自适应控制方案设计的难点,针对双臂空间机器人两个末端抓手持有载荷参数均未知的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人两个末端抓手惯性空间轨迹跟踪的拟增广自适应控制方案。通过系统数值仿真,证实了上述控制方法的有效性。

带滑移铰空间机械臂惯性空间轨迹的复合自适应跟踪控制

讨论了载体的位置与姿态均不受控制的漂浮基带滑移铰空间机械臂的控制问题.动力学分析表明,结合系统动量及动量矩守恒关系得到的运动Jacobi关系及系统动力学方程将是系统惯性参数的非线性函数.借助于增广变量法,我们得到了与惯性参数呈线性关系的系统广义Jacobi矩阵及系统控制方程.以此为基础,针对系统中存在未知惯性参数的情况,设计了一种末端抓手惯性空间期望轨迹跟踪的复合自适应控制方案,此控制方案的优点在于不需要测量空间机械臂载体的位置及移动的速度、加速度.仿真运算证实了方法的有效性.

空间引力波探测航天器平台系统前沿研究进展

高精度航天器平台系统是空间引力波探测任务成功实施的重要载体,在空间引力波探测任务中发挥着重要的作用。针对高精度航天器平台系统研究的前沿进展,以惯性传感器参考基准、微推力执行机构、航天器平台无拖曳控制技术及航天器系统编队设计与控制为出发点,结合本专刊内发表的主要研究内容及国内外空间引力波探测航天器平台系统近期相关研究进展,形成涵盖国内外前沿研究热点的概括与综述,总结空间引力波探测航天器平台系统设计的主要研究问题。从航天器系统角度出发,提出涵盖关键载荷、轨道及姿态控制策略及编队构型设计的探测航天器平台系统发展的展望。

空间稳定惯性导航系统中陀螺仪漂移模型系数的辨识

陀螺仪的漂移误差是空间稳定惯性导航系统的主要误差源,对漂移模型系数的准确辨识是保证系统实现长时间、高精度自主导航的关键．独立标定陀螺仪的数据无法全面反映陀螺仪在系统中的特性,必须在系统中实现对陀螺仪漂移模型系数的辨识,为此,分析了系统稳定平台坐标系随动于陀螺坐标系的运动过程,推导出稳定平台的运动微分方程,建立了以陀螺仪漂移模型系数为状态变量的系统方程；以平台上加速度计的输出为观测量,采用扩展卡尔曼滤波器对陀螺仪漂移系数进行估计．仿真实验结果表明,新的陀螺仪漂移系数辨识方法是有效的和准确的．

思维惯性空间模型

思维惯性将思维局限于过去经验的边界内,难以产生创造。根据思维的旋转动力学理论提出了思维惯性空间模型,包括惯性空间的构造及其性质,指出了创造就是通过物场分析、转换创造、组合创造等发明方法实现对惯性空间的拓扑扩展。

基于Backstepping的双臂空间机器人惯性空间轨迹的鲁棒神经网络跟踪控制

讨论了基于BackStepping方法,载体位置与姿态均不受控制的双臂空间机器人跟踪惯性空间期望轨迹的控制问题.首先基于拉格朗日第二类方法,结合系统动量(动量矩)守恒关系,推导得到了系统动力学方程,并转化为系统状态方程.基于Backstepping方法,针对具有不确定性的双臂空间机器人系统,设计了鲁棒自适应神经网络控制规律,保证了具有不确定性的双臂空间机器人系统末端手爪在惯性空间跟踪期望轨迹的控制.仿真实验证明了该方法的有效性.

自由漂浮双臂空间机器人基于速度滤波器的惯性空间轨迹跟踪鲁棒控制

针对末端所持载荷参数未知的自由漂浮双臂空间机器人系统,提出了基于速度滤波器的鲁棒控制方法.利用拉格朗日方法进行运动学及动力学分析,建立了双臂空间机器人系统欠驱动形式的动力学模型.借助于增广变量法,证明了可将空间机器人系统的增广广义Jacobi矩阵及动力学方程表示为一组组合惯性参数的线性函数.在此基础上引入速度滤波器,设计了双臂空间机器人基于速度滤波器的惯性空间轨迹跟踪鲁棒控制方案.该速度滤波器可利用实测位置误差生成末端爪手的伪速度信号,有效避免了相关速度信号的实时测量与反馈.该方案的显著优点在于,不需要测量、反馈末端爪手的移动速度和加速度,同时有效消除了控制过程中的抖振现象.平面自由漂浮双臂空间机器人系统的数值仿真验证了算法的有效性.

农村人居空间的“收缩”和“精明收缩”之道——实证分析、理论解释与价值选择

在实现中国梦和"两个一百年"奋斗目标的过程中,城镇人口不断增加、农村人口持续减少仍然是一个重要趋势。鉴于此,农村人居空间精明收缩是一个重要的价值判断和规划策略。本文在既有研究基础上,首先,通过构建农村人居空间变迁模型并引入统计数据,对农村人居空间收缩趋势进行实证研究;其次,通过引入空间惯性的概念,为解释农村收缩提供一个新的视角;第三,进一步论述精明收缩的价值选择,包括核心观点、基本原理和发展框架。农村精明收缩面对的现实问题普遍而复杂,但这也为城乡规划领域在实现中国梦的过程中,贡献自己的智慧和力量创造了新的可能。

柔性空间机械臂末端运动及柔性振动的模糊自适应补偿控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,具有不确定参数的漂浮基柔性空间机械臂系统载体姿态与末端爪手惯性空间轨迹跟踪的模糊自适应补偿控制和柔性振动优化控制问题。利用拉格朗日方程和假设模态法并结合系统动量守恒关系,分析、建立了柔性空间机械臂系统的动力学方程及运动Jacobi关系。以此为基础,使用奇异摄动法和2种时间尺度的假设,将系统分解为轨迹跟踪控制器和振动控制器可分开设计的奇异摄动系统。对于快变子系统,使用全局最优线性二次调节器(LQR)控制方法来对柔性杆件的振动进行主动抑制。同时,针对系统参数不确定的情况,设计了一种标称计算力矩控制器附加模糊自适应补偿控制器的复合控制方案来保证慢变子系统载体姿态与末端爪手在惯性空间的轨迹跟踪。通过系统数值仿真证实了方法的有效性。

漂浮基空间机器人系统基于增广变量思想的改进变结构滑模控制

讨论载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机器人系统的控制问题。首先导出了空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程。之后借助于增广变量法,证明可以将上述系统动力学方程及系统增广广义Jacobi矩阵分别表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数。以此为基础,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了一种空间机器人惯性空间期望轨迹跟踪的改进变结构滑模控制方案。与传统变结构滑模控制相比,所提控制方案通过一次离线预估控制律中相关矩阵元素的上下限,从而避免了实时控制过程中重复计算系统动力学方程中科氏力、离心力项的麻烦,因此有效减少了计算量,更适用于机载计算机运算能力有限的空间机器人控制系统实时应用。仿真运算,证实了方法的有效性。

区域空间结构重组:理论基础、动力机制及其实现

区域空间结构重组是社会经济大转型时期重要任务之一。通过对空间结构惯性、区域发展与空间结构的互动关系等理论问题的探讨,明确了区域空间结构重组的被动性和阶段性等一般规律;八大动力机制的系统分析为空间结构重组提供了理论依据;区域空间结构组成的五大要素的优化是实现结构重组的有效途径。

陀螺仪——航天器的指南针

同学,你玩过陀螺吗?陀螺静止的时候是无法立住的,但是当你把陀螺快速旋转起来的时候,它就能“金鸡独立”了。你知道吗?这样一个随处可见的小小玩具,它蕴含的原理可以帮助火箭和宇宙飞船飞向正确的方向呢!许多交通工具上都安装有陀螺仪,这是一种运用陀螺的原理、能够测量运动物体相对惯性空间角运动(角位移或角速度)的装置,主要用于飞机、舰船、导弹、航天器及车辆的控制、导航等。今天,我们就一起来认识神奇的陀螺仪吧!

自由漂浮双臂空间机器人末端轨迹跟踪控制

针对自由漂浮双臂空间机器人(DFFSR)机械臂末端轨迹跟踪控制问题,提出了一种增广优化控制方法。首先,根据DFFSR关节空间的动力学方程和运动学方程,推导出机械臂惯性空间动力学方程;而后,基于增广变量思想,将惯性空间动力学方程扩展成以末端位置和线速度为状态变量的伪线性状态方程,以此提出一种增广状态依赖Riccati方程(SDRE)优化控制方法,并通过Lyapunov方法证明系统渐近稳定性。数值仿真结果证明了所提控制方法能够实现对机械臂末端快速有效的轨迹跟踪。

基于“吉林一号”视频卫星的天基空间目标观测研究

针对惯性空间成像任务中窗口搜索困难、任务模式较少、目标识别困难等问题,本文凭借"吉林一号"视频卫星敏捷、高精度、应用灵活的特点,开展空间目标观测试验,完善了窗口搜索、任务规划流程,探索了多种成像模式,研究了目标的提取识别方法,得到了"吉林一号"视频星座对不同目标的覆盖能力与交汇特点,并利用多帧图像叠加对比简化了目标提取并结合事后轨道数据进一步完善了任务评价。试验结果表明,多模式对地观测小卫星具有较强的天基空间目标监测能力,可以为空间碰撞预警、态势感知和空间环境研究提供有力支撑。