Bionic Attitude Transformation Combined with Closed Motion for a Free Floating Space Robot

In order to realize the small error attitude transformation of a free floating space robot,a new method of three degrees of freedom（ DOF） attitude transformation was proposed for the space robot using a bionic joint. A general kinematic model of the space robot was established based on the law of linear and angular momentum conservation. A combinational joint model was established combined with bionic joint and closed motion. The attitude transformation of planar,two DOF and three DOF is analyzed and simulated by the model,and it is verified that the feasibility of attitude transformation in three DOF space. Finally,the specific scheme of disturbance elimination in attitude transformation is presented and simulation results are obtained.Therefore,the range of application field of the bionic joint model has been expanded.

多矢量姿态测量算法研究综述

将矢量测量转化为姿态测量,该问题在姿态估计中被称为Wahba问题。介绍了最小化Wahba问题的损失函数的不同算法,包括最优四元数估计器(ESOQ)、四元数估计器(QUEST)、快速最优姿态矩阵(FOAM)、矩阵的奇异值分解(SVD)等广泛使用的算法,以及基于快速线性四元数姿态估计器(FLAE)、黎曼流形等近年来提出的算法。给出了简单的计算原理与推导过程,并通过计算机仿真对照,归纳各类算法在计算旋转矩阵时的计算精度、鲁棒性。针对姿态测量算法应对当前应用场景的性能需求,简要介绍其在惯性测量单元(IMU)动态对准、协同集群视觉定姿、图像拼接等方面的适用可能和工作原理,并在此基础上简述了姿态测量算法当前的缺陷与未来的发展趋势。

基于CNN-GRU模型的USV运动姿态多步预测方法

针对单一模型在预测无人水面艇(Unmanned Surface Vessel,USV)运动姿态时精度不高的问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)和门控循环单元(GRU)的USV姿态多步预测模型。首先,使用滑动窗口法构造运动姿态数据集作为模型输入;然后,使用CNN模块挖掘时序数据的局部特征;最后,使用GRU模型进行多步预测。使用实测USV运动姿态数据进行预测实验,实验结果表明,该模型比XGBoost模型、单一LSTM模型和单一GRU模型具有更高的预测精度,各项评价指标表现更佳,具有重要的应用价值。

不同气囊压力气垫船空投入水研究

为保证气垫船在特殊情况的应用,对气垫船空投入水进行研究。应用Abaqus有限元分析软件对气垫船气囊建立空气弹簧模型,对气囊不同气压时气垫船入水过程的运动特性和姿态变化进行仿真分析。结果表明:气囊的运动因空气弹簧存在的原因较底板更为剧烈;气囊气压在0.2~0.3 MPa间的运动特性几乎一致,小于0.2 MPa时气囊的弹性势能较小,速度衰减较慢,入水后吃水更深;气囊气压在0.15~0.3 MPa内,气垫船入水的姿态由前倾变为后倾,气压为0.2 MPa时,气垫船入水全程的姿态变化不大。总的来说,气垫船气囊压力为0.2 MPa时入水运动特性较好,姿态始末变化不大。

AN IMPROVED ROTATION VECTOR ATTITUDE ALGORITHM FOR LASER STRAP-DOWN INERTIAL NAVIGATION SYSTEM

The laser gyro is most su it able for building the strap down inertial navigation system (SINS), and its acc uracy of attitude algorithm can enormously affect that of the laser SINS. This p aper develops three improved algorithmal expressions for strap down attitude ut ilizing the angular increment output by the laser gyro from the last two and cur rent updating periods according to the number of gyro samples, and analyses the algorithm error in the classical coning motion. Compared with the conventional algorithms, simulational results show that this improved algorithm has higher precision. A new way to improve the rotation vector algorithms is provided.

船舶坐底运动姿态监测系统研发及应用

在船舶坐底过程中需要重点关注船舶的运动姿态变化,以便及时对船舶状态做出调整,保障船舶坐底安全。针对船舶坐底过程,自主研发了运动姿态监测系统,对船舶的六自由度姿态、三轴速度、三轴加速度、船舶四个角点的垂向速度和船底距海床的距离等参数进行监测。结果表明:运动姿态监测系统在船舶坐底过程中能够实时监测船舶运动姿态关键参数变化情况并进行安全提示,实现了对船舶坐底运动姿态的全程监测功能。

基于前端开发框架的舰船运动姿态数据监测系统

利用运动姿态监测结果为舰船可靠航行提供决策依据。为此,设计了基于前端开发框架的舰船运动姿态数据监测系统。系统设施层中,利用MEMS陀螺仪芯片与3轴MEMS加速度计采集舰船运动姿态信息,并将所采集信息传送至业务逻辑层;业务逻辑层利用控制子层和管理子层为用户提供姿态数据监测服务;控制子层中的姿态解算模块,依据传感器信息采集结果,利用卡尔曼滤波算法解算舰船运动姿态信息。基于此,利用Bootstrap的前端开发框架,通过viewport元数据标签完成前端UI设计,为用户提供可视化的人机交互界面,将姿态解算结果利用用户界面层为用户展示。测试结果表明,该系统对舰船航行运动姿态的监测结果与实际结果极为接近,适用于实际工作。

高动态姿态测量圆锥误差补偿算法改进及实时性分析

弹丸圆锥运动会对制导系统产生严重的控制干扰,为了补偿该误差,分析了一种新的圆锥误差补偿算法,以提高弹载姿态控制系统在高动态运动环境下的解算精度和实时性。结合四元数四阶龙格-库塔法和三子样等效旋转矢量法,利用修正型罗德里格斯参数改进基于角增量输出的三子样四元数姿态算法,推导相应的微分方程表达式,建立三子样四元数改进算法姿态求解数学模型。仿真结果表明,与传统圆锥误差补偿算法相比,改进算法能更有效的补偿圆锥误差,平均解算精度提高了约17.32%,减少了高动态环境下的计算量,实时性提升了约22.54%。

一种面向限制性三体问题的轨道-姿态运动模态构建方法

针对平动点附近的具有强非线性和耦合性的轨道-姿态动力学机理分析,以及如何利用其动力学特性完成相关任务操作等问题,提出了基于Floquet理论的轨道-姿态运动模态构建方法,并探讨了所构建模态的典型应用。首先,在平动点轨道-姿态周期解的基础上,对轨道-姿态状态转移矩阵进行分块,根据分块矩阵特征值特点,建立了姿态模态和姿轨耦合模态,与轨道模态共同构成完整的轨道-姿态运动模态。然后,对模态特性进行了相空间分析。最后,以平动点相对轨道-姿态运动解析、平动点轨道-姿态稳定性控制和平动点轨道附近姿轨编队设计为应用案例,相应数值仿真表明了所提出模态的正确性,以及在典型航天任务设计与控制中的应用价值。

轴对称矢量喷管运动学建模及运动轨迹分析

轴对称矢量喷管为复杂的空间多链路机构,是推力矢量技术的核心。为研究其运动规律,将空间机构位置分析法、解析几何法和环路矢量法相结合,建立了轴对称矢量喷管的空间运动学模型。利用数值仿真实现了其运动姿态的仿真,并通过与ADAMS仿真结果对比,验证了该模型的正确性,进而获得轴对称矢量喷管在不同驱动方式下的位姿以及喉口和喷口的面积变化规律。结果表明:喉口状态和喷管运动状态对喷管面积比均有影响,面积比随着A9作动筒的同步伸长呈明显单调递增状态;A9作动筒异步驱动时,喷管面积比变化较小,喷口矢量偏转角角速度与作动筒运动速度呈比例关系,截面形状由圆形逐渐变为空间上扭曲的椭圆形;拉杆尺寸对喷管机构的面积比变化范围有明显影响,拉杆每增大(或减小)1 mm,面积比变化区间整体上移(或下移)0.025。仿真结果有助于了解喷管的运动规律,可为喷管的参数化分析及优化设计提供理论依据。

基于运动约束的航姿系统误差自主补偿方法

为了提高车载捷联航姿系统的长航时定姿精度,提出利用载车的运动约束条件对航姿系统误差进行在线自主补偿。首先,对航姿系统的传感器误差、安装误差等进行分析与建模,选取航姿系统的各项误差作为误差补偿滤波的系统状态,建立系统状态方程。然后,根据发射车等特种车辆的运动特点,利用车辆运动约束条件,将载车行驶过程中航姿系统的速度输出在车体坐标系横向和垂向上的投影分量作为误差补偿滤波的量测,推导获得误差补偿滤波的量测方程。最后,采用卡尔曼滤波设计航姿系统误差在线估计算法。实验结果表明,所提方法能够自主有效地补偿航姿系统的积累误差,经过1200 s的跑车实验,系统的航姿误差始终保持有效收敛,其中航向精度优于3.4′,水平姿态精度优于0.4′。

基于Unity3D与MEMS惯性感知的运动监测系统设计

目的/意义构建人体模型,与实际人体运动数据绑定,实现对人体运动姿态的监测。方法/过程设计一种基于Unity3D和MEMS惯性传感器的运动监测系统。利用MEMS惯性传感器获取人体的运动姿态数据,利用欧拉角进行姿态解算,通过蓝牙无线传输协议将数据发送到计算机系统,以驱动虚拟动画人物的运动,实现人体动作的3D姿态实时展现。结果/结论经过实验测试,该模型能够准确监测和模拟人体的运动姿态,未来可为体育运动训练、肢体康复训练等应用领域提供有效的数据分析。

基于长时跟踪的滑雪教学姿态辅助矫正方法

在滑雪教学过程中,由于学员的迅速移动和姿态的大幅变化,导致以短时智能图像变化特征为主的姿态跟踪算法失效或不稳定,特别是在雪地条件恶劣或光线不足等复杂环境下,跟踪效果会受到较大的影响。为此,提出基于长时跟踪的滑雪教学姿态辅助矫正方法。使用递归最小二乘法(RLS)分类器训练得到学员姿态位置核相关滤波器(KCF)。计算最大的KCF响应值,精确检测学员的姿态位置。如果KCF结果低于经验阈值,表明目标丢失,启动再检测模块。利用光流法在前一帧学员姿态位置附近寻找当前帧中的姿态位置,以获取一个大致位置。在此位置重新应用跟踪器,获得精确的学员姿态位置,实现长时跟踪。依据得到的姿态位置数据,构建滑雪学员姿态误差补偿模型,提取学员身体的运动参数和姿态误差。通过计算身体运动参数,并结合KCF构建滑雪学员身体姿态辅助矫正模型,从而完成滑雪教学的姿态辅助矫正。实验结果表明,该方法在长时跟踪中展现出高度的有效性、可靠性和稳定性,其平均PCK指标达到92.3%,同时在目标跟踪效率上,参数量和计算量分别为30.24 MB和9.26 GFLOPs,速度达到142帧/s,实现了高效实时的跟踪,验证了该方法在滑雪教学姿态辅助矫正中的可行性。

管道机器人过T型管垂直爬坡动态性能分析

为进一步了解复杂管道的内部环境,设计一种全驱动轮式管道机器人。通过坐标旋转法,分析管道机器人通过T型管垂直爬坡时的姿态调整过程与运动状态变化,运用ADAMS动力学分析软件,分析管道机器人通过T型管时各驱动轮的受力情况和驱动轮质心运动速度变化。研究发现管道机器人通过T型管时,其各驱动轮先后经历悬空状态并失去管壁支撑,4个驱动轮与管壁的接触力总的变化趋势均是先减小到0 N,然后随着驱动轮与管壁发生接触碰撞,接触力迅速增大,幅值超过其稳态值;前后2个驱动模块的驱动轮质心运动速度不同,前驱动模块驱动轮质心运动速度变化规律为类似正弦变化,后驱动模块由于接触碰撞,上部驱动轮与管壁发生打滑,驱动轮运动速度先轻微增大后迅速减小。研究结果为管道机器人的结构设计提供参考。

融合机理分析与数据驱动的深水浮式生产平台运动姿态在线实时预测

当前对于浮式生产平台运动姿态的计算大多采用时域耦合分析方法,无法做到姿态实时预测。针对这个问题,提出一种融合机理分析与数据驱动的深水浮式生产平台姿态在线实时预测方法,对浮式生产平台位移等运动姿态进行实时预测。使用该方法可以计算获得浮式平台运动姿态相关均值和极值,为深水浮式平台的实时监测和安全作业提供参考。

基于光学跟踪和运动估算法的VR实时姿态感知软件设计

人体骨骼数据容易受到环境中光线等干扰因素的影响,使得软件的姿态感知结果的均值平均精度(mAP)较高。因此,设计了一种基于光学跟踪和运动估计算法的新型VR头显实时姿态感知软件。以光学跟踪设备为核心组成测量系统,实时获得位姿测量数据,并经过误差校正后得到准确的姿态信息。借助于OpenPose网络检测出人体骨骼关键点,并应用引入提前终止策略的运动估计算法对实时姿态图像进行不断搜索,在忽略干扰因素的情况下找到最佳匹配点,以此来反映运动矢量分布位置,识别出当前人体姿态。最后,依托于多层感知机网络实现姿态分类,作为最终输出的实时姿态感知结果。测试结果表明,结合光学跟踪和运动估计算法的软件应用后,得出姿态感知结果的mAP值保持在0.95以上,满足了VR头显实时姿态感知要求。

基于真实海况的复合摇摆测试系统研发

针对海洋仪器复合摇摆测试采用不同自由度摇摆试验严酷等级加权进行,与真实环境有一定差距的问题。文中在现有六自由度摇摆台基础上,研制船舶姿态采集单元,获取船舶姿态的连续记录数据;根据船舶姿态数据特征,以VB.NET为程序设计语言,选用Microsoft Access数据库,开发复合摇摆测试系统,用于存储船舶姿态信息,并根据用户需求获取相应船舶姿态的运动谱,通过六自由度摇摆台复现船舶运动。实例证明该方法更为合理可行。

基于运动/力传递性能的索并联机器人尺度综合研究

索并联机器人使用柔性绳替代传统并联机器人的刚性连杆,以控制末端动平台,在搬运、医疗康复等领域得到了广泛应用。为了解决索并联机器人设计过程中存在的尺度综合问题,对索并联机器人的性能评估指标进行了研究。首先,根据螺旋理论确定了索并联机器人驱动输入与运动输出的运动/力传递关系,并提出了局部运动/力传递性能指标,评估了其在指定工作空间下的全局运动/力传递性能;然后,借助空间模型法,得到了索并联机器人在参数设计空间的性能图谱,并基于参数设计空间的性能图谱,对索并联机器人进行了尺度综合,以得到优化后的尺寸参数;最后,采用了平面3自由度索并联机构的试验样机,对运动学可达工作空间进行了试验验证,试验了得到了优化尺寸参数下的运动可达工作空间。研究结果表明:利用尺度综合方法优化后的机构允许姿态角达到|θ|≤60°的工作空间,占总工作空间的95.1%,可达工作空间提高了29.4%;优化后机构姿态角达到|θ|≤80°的工作空间,占总工作空间的67.3%,可达工作空间提高了81.3%;优化后允许机构姿态角达到|θ|=80°的工作空间,占总工作空间的14.5%,可达工作空间提高了172%。因此,对运动/力传递性能尺寸参数进行优化,可避免索并联机器人工作空间内的奇异位形,满足绳索单向力传递的特性要求,可在索并联机器人设计中作为尺度综合的依据。

基于红外特征的空间目标点面一体化智能识别方法

针对空间飞行器博弈场景中飞行器采用传统识别算法并不能很好识别出空间目标群中的高价值目标的问题,提出了一种基于红外辐射特征的空间目标点面一体化智能识别方法。首先,建立空间飞行器博弈的一般场景,并对影响目标飞行器红外特征的所有因素如三维外形、运动特性、表面温度等进行建模。然后,利用计算机计算常见的空间目标的红外辐射强度,并对其进行适当处理后量化和显示为较为真实的红外特征数据。针对传统识别算法难以适用复杂的空间博弈场景,导致对空间目标的识别准确率不高的问题,采用一种基于深度学习的点面一体化智能识别算法,根据红外数据特征的特点对空间目标进行分段识别。最后对提出的算法进行了仿真验证,结果表明,该识别算法具有更高的识别准确率,还避免了传统方法中复杂的特征提取过程,具有更强的鲁棒性。

Integrated modeling of spacecraft relative motion dynamics using dual quaternion

To realize high accurate control of relative position and attitude between two spacecrafts, the coupling between position and attitude must be fully considered and a more precise model should be established. This paper breaks the traditional divide and conquer idea, and uses a mathematical tool, namely dual quaternion to establish the integrated 6 degree-of-freedom(6-DOF) model of relative position and attitude, which describes the coupled relative motion in a compact and efficient form and needs less information of the target. Considering the complex operation rules and the unclarity of the current relative motion model in dual quaternion, necessary mathematical foundations are given at first, followed by clear and detailed modeling process and analysis. Finally a generalized proportion-derivative(PD) controller law is designed. The simulation results show that based on the integrated model established by dual quaternion, this control law can achieve a high control accuracy of relative motion.