多约束月面盘旋飞跃轨迹优化控制方法

针对无平移发动机月球探测器的多约束盘旋飞跃问题,给出了燃耗最优轨迹。盘旋飞跃划分为垂直上升段、平移段、垂直下降段,垂直上升段与垂直下降段的最优控制均为Bang-Bang形式。研究平移段最优轨迹时,考虑位置、速度、角速度等约束,首次把优化问题的控制变量由推力转化为角速度,然后基于Pontryagin极小值原理得到了最优角速度的初步形式,接着通过对奇异点连续性、控制变量切换次数的研究,得到最优角速度的最终形式由最大边值与最小边值组成且发生两次切换,最后提供了一种求解切换点的数值方法。仿真结果表明,该算法精度高、复杂度低,适用于在线轨迹优化。

空间机械臂自适应扩展雅克比零反作用控制

针对自由漂浮空间机械臂执行在轨服务(On-Orbit Servicing,OOS)时对基座姿态的扰动问题,设计了一种基于扩展雅克比矩阵的自适应零反作用运动控制器。通过巧妙利用角动量守恒定律,解决了广义雅克比矩阵的非线性参数化问题。基于此,将运动学不确定性和动力学不确定性都考虑在内,采用李雅普诺夫稳定性分析工具,得到了自适应零反作用运动控制器,可以同时实现航天器姿态调节和机械臂末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪,并且不需要测量机械臂末端执行器的速度。仿真结果表明了本文所提算法的有效性。

智能控制系统简述及研究构想

当代科学技术的重大变革和发展,已突破旧的自动控制系统框架向具有人的经验知识直接参与控制过程的系统框架发展.将人的智能引入控制系统,则形成智能控制系统.作为控制发展的高级阶段,智能控制系统主要解决那些用传统控制方法难以解决的复杂系统的控制问题,以提高社会生产效率,并提高人民的生活质量水平.本文主要对智能控制系统进行简述并提出一些研究构想,首先提出智能控制系统的基本概念、目的和任务,然后重点阐述智能控制系统的结构和组成以及一些控制方案和算法,最后论述智能控制系统的研究基础,即特征建模与在线学习.

基于学习的空间机器人在轨服务操作技术

发展具备全自主操作能力的在轨服务航天器是未来航天领域的重要方向,而赋予航天器自主学习能力是实现自主化操作的重要手段.本文首先对近年来国外在轨服务操作的重要研究计划和关键技术进行了分析,并系统论述了基于学习的机器人操作技术的主要理论和方法.然后,结合未来在轨服务的需求,对我们在此领域的初步研究成果“基于学习的在轨燃料补加控制系统”进行了介绍.最后,结合航天领域的特点,分析了基于学习的空间机器人在轨服务技术所面临的挑战和未来的发展方向.

基于多状态故障的卫星姿态控制系统剩余寿命预测方法

针对具体的卫星姿态控制系统配置,在对系统可重构性分析的基础上,考虑系统的多状态故障,详细分析系统可能发生的功能模块故障类型,并按故障等级对系统进行故障状态划分;针对系统故障状态间存在的转移关系,通过Kaplan-Meier估计器和极大似然估计方法对故障状态间转移概率模型进行估计,在此基础上建立系统的Petri网预测模型,并根据蒙特卡洛思想对模型进行大量仿真,从而实现对卫星姿态控制系统剩余寿命的离线预测和在线预测。仿真结果验证了该方法的合理性。

基于浸入与不变流形的抗干扰饱和姿态控制器

设计了一种抗慢时变干扰的简单饱和姿态控制器。其基本原理是将干扰作为未知参数,然后利用浸入与不变流形的方法设计了独立于控制器的干扰估计器,从而再基于干扰的估计结果设计饱和控制器。该控制器形式简单,由比例与微分项和干扰补偿项组成,各部分物理意义明确。根据浸入与不变流形方法,通过严格的理论证明得到了如下结果:对于慢时变干扰的情况,通过调整控制干扰辨识收敛速度的参数,可以使得理论上的姿态最终控制误差任意小(实际仿真误差还受限于由数值稳定性决定的时间步长);对于干扰为常值的情况,则可以完全消除干扰的影响,并获得系统状态渐近稳定的结果。最后通过数值仿真验证了控制方案的可行性。

载人月球探测混合现实遥操作控制总体方案研究

针对当前无人月球车月面巡视探测遥操作控制效率较低的问题,提出了一种基于运动预测修正和混合现实仿真技术的地月准实时遥操作控制系统总体方案。通过对月面任务操作现场进行精确三维重建和增强信息显示,实现虚实场景动态匹配;通过对月面移动机器人进行融合定位和时延运动预测,实现虚拟场景下机器人遥操作移动控制的准实时性。构建了一套混合现实月面遥操作半实物仿真试验系统,并进行了遥操作控制误差测试。结果表明,该方案实现了远程可视的、闭环的、准实时的月面移动探测遥操作控制,提高了遥操作探测效率和操控人员的体验感,实验室内遥操作控制误差优于20cm。

星座导航与控制分布式仿真系统设计

基于HLA/RTI和STK,设计了卫星星座导航与控制分布式仿真系统。仿真系统中每颗卫星均由单独的计算机模拟,可真实地反映星座的运行情况,更好地模拟星间链路;卫星轨道精确外推、星间链路优化、基于基准星和星间距离测量的分布式导航以及基于相对轨道根数的星座绝对站位保持等关键技术也融入到系统中;仿真系统还具有直观的二维、三维场景和曲线动态可视化演示功能。结合具体的W alker星座实例,仿真星座稳定运行180天,系统运行结果表明所设计的仿真系统及采用的关键技术能够满足仿真与评估的需求。另外,在一定程度上该仿真系统还支持其它卫星星座的仿真与评估。

基于伪谱法的空间绳系组合体最优燃耗离轨研究

为了优化空间绳系组合体轨道转移的燃耗,提出一种基于伪谱法求解的包含拖拽、平衡、甩摆三个阶段的绳系组合体最优燃耗离轨方案.首先将全过程离轨的燃耗作为性能指标,采用简化的绳系组合体动力学模型,利用高斯伪谱法求解出拖拽阶段系统状态最优轨迹;其次考虑较复杂的绳系组合体动力学模型,使用模型预测控制方法跟踪拖拽阶段系统状态最优轨迹.仿真结果表明该方法能实现主动星安全、高效,并以最低燃耗地将目标星转移到目标轨道.

基于漏斗策略的航天器高精度姿态控制器设计

针对一类具有外部扰动的航天器控制系统,提出一种基于漏斗策略的高精度姿态控制方法,从而对整个跟踪控制轨迹进行规划,保证控制误差时刻满足设计需求,有效提升控制系统动态性能与品质.首先,对所提出姿态控制策略的跟踪性能进行理论分析,结果表明如果姿态控制误差初值位于根据性能需求设计的漏斗区域内,则在后续任意时刻跟踪误差将始终位于该动态性能漏斗中.在此基础上,考虑到实际工程应用中航天器系统控制信号的有界性需求,给出性能漏斗的优化设计方法,从而保证在输入幅值约束下控制系统的动态性能.最后通过数值仿真验证了所提出航天器姿态漏斗控制策略设计方法及理论分析结果的正确性和有效性.

基于多退化量的动量轮剩余寿命预测方法

动量轮是卫星姿态控制系统的关键部件,对卫星的可靠性及整体寿命有直接影响。针对卫星动量轮的剩余寿命预测问题,提出一种基于Copula函数的多退化量下的寿命预测方法。首先,分析了影响动量轮寿命的关键因素,选择润滑剂剩余量和电流作为退化量;其次,分别对单个退化量进行退化建模,得到动量轮剩余寿命的边缘分布函数;然后,通过Copula函数族来描述多退化量之间的相关性,并对边缘分布进行融合,得到动量轮剩余寿命的联合分布函数;最后,提出基于赤池信息准则(Akaike information criterion,AIC)模型评价的Copula函数选择方法。

星敏感器曝光时间的优化

星敏感器曝光时间是影响星敏感器星点定位精度的因素之一。建立星敏感器星点像移模型和CCD噪声影响模型,分析了星点质心定位精度与曝光时间的关系,并以CCD47-20为例,对星敏感器的曝光时间进行了优化。结果表明:对于6.5等星,当星点光斑像移速度为4.67pixels/s时,采用5×5窗口的亚像元质心算法,亚像元质心算法精度随曝光时间的延长而降低,CCD噪声对星点质心定位精度的影响随曝光时间的增加而减小;星敏感器的最佳曝光时间为200ms,此时的星点质心定位精度优于1/50pixel。

CCD温度对星敏感器星点定位精度的影响

CCD噪声是影响星敏感器星点定位精度的误差源之一,以DV437-BU2型CCD为例,对CCD的暗电流、暗电流散粒噪声、暗电流不均匀噪声等的温度特性进行了实验测量.研究了CCD温度对星敏感器星点定位精度的影响,结果表明:对于DV437-BU2型CCD芯片,当CCD工作温度高于300K时,降温可以显著提高星敏感器星点定位精度,当CCD工作温度低于300K时,降温对星点定位精度的影响不明显;当温度由330K降到300K时,星点定位精度由0.12个像素提高至0.078个像素.

提升小波在SINS分段快速对准中的应用

提出了一种利用提升小波进行消噪的捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)分段快速对准新方法。该方法首先进行水平精对准,然后利用提升小波算法对陀螺仪的输出信号进行消噪后,快速计算出方位失准角并进行修正,完成对准过程。理论分析和实际系统试验表明:提升小波算法对于光纤陀螺信号具有良好的消噪效果,新方法与传统的Kalman滤波对准方法具有相同的稳态精度,但方位精对准过程中,不需要进行捷联惯导的力学编排,精对准的时间可以缩短至30 s左右。该方法弥补了传统Kalman滤波精对准方法中方位失准角估计速度慢的缺陷,大幅度提高了SINS的初始对准速度。

基于图像增强的月面特征提取与匹配方法

针对月面巡视探测器自主导航中的障碍识别问题,为了采集清晰有效的图形,使用一种基于图像增强的方法结合尺度不变的特征点提取和匹配新的算法来识别障碍物。使用图像增强方法预处理图像,用多尺度特征极值点检测的SIFT方法,提取特征,进行左右双目图像的特征匹配。与传统视觉算法相比,可以解决仿真试验场较差的光源环境,并提高对不同光照环境图像的特征提取和匹配的鲁棒性。在仿真试验场的双目视觉图像匹配中,仿真实验取得较好的效果。

基于先验知识的月球车视觉系统特征提取方法

为了满足月面巡视探测器的自主导航要求。提出一种新的基于先验知识的特征点提取算法。首先,根据先验知识对原始图像进行预分割成危险区域和安全区域,然后在危险区域里面进行特征点的选取工作,对特征点用于以后的匹配和目标定位,进而用于视觉系统的导航工作。与传统算法相比,提取方法可以有效减少计算量,使选取特征点更加准确,提高后续匹配阶段的处理速度和匹配精度。在模拟试验场的双目视觉照片中,通过实验取得较好的效果。

摄动因素对火星环绕段轨道长期影响研究

针对未来火星探测需要,研究了摄动因素对火星环绕段轨道的长期影响。对各种摄动因子的数量级进行了估计,根据估计结果,对比选取了起主导作用的摄动因子;建立了主要摄动因子的数学模型;通过数值仿真验证,对比分析了火星和地球的相应摄动因素对各自环绕段轨道半长轴和偏心率的影响。仿真结果表明:非球形摄动对火星环绕段轨道的影响具有明显的长周期特征,而相应的地球环绕段短周期效应较明显,这主要是由于质量分布不同造成火星非球形引力位中田谐项的系数基本都比地球的相应值大一个量级,因此在实际轨道设计中应该重点考虑高阶项特别是高阶田谐项对环绕段轨道造成的影响。

再入飞行器末端能量管理段纵向剖面优化方法

对于轨道再入飞行器,根据各阶段飞行特性和任务的不同被分为初期再入、末端能量管理以及进场着陆几个阶段.本文提出一种末端能量管理段航程及纵向剖面优选方法,通过对不同的初始航程和纵向剖面进行递推,以阻力板控制裕度最大为优化目标,选出最适应飞行器升阻特性的航程以及相应的高度动压剖面.考虑初始状态误差及气动特性偏差条件下的六自由度仿真验证所设计的纵向剖面的鲁棒性.

甚高精度星敏感器的点扩散函数检测技术

为了研制精确的星点定位误差补偿算法,得到星像轮廓面的形貌信息,研究了检测星敏感器点扩散函数(PSF)的方法。在高精度测量平台上进行光电采样,获取星像像素灰度值分布,根据扩展Nijboer-Zernike理论进行PSF拟合重建。噪声仿真实验证明,该算法能够在星像信噪比较低的情况下准确地得到Zernike系数,从而快速地重建甚高精度星敏感器的空域PSF。基本满足自动检测甚高精度星敏感器星像轮廓面的要求。

传感器过饱和条件下的星像点细分定位

本文针对星点成像中的过饱和现象,分析了星像点的点扩散函数(PSF)特性,建立了过饱和星像点能量分布模型,提出了一种过饱和星像点PSF相关算法。该算法首先确定与星像点目标区域相似度最好的PSF序列,通过找到该序列的最大值进行定位。仿真实验表明:在星像点有噪声的条件下,PSF相关法的定位误差低至0.05 pixel;在非对称PSF条件下,定位误差依然小于0.1 pixel,均比传统的质心法、曲面拟合等方法的定位精度高。