月球表面巡视探测GNC技术

嫦娥三号巡视器是中国首个地外天体表面巡视探测器, 其制导、导航及控制 (GNC)技术与地球卫星等航天器完全不同. 探测器实现月表巡视探测需要在地 外天体表面确定自身位置、航向及姿态, 识别周围地形环境并寻找安全路径, 控制巡视器沿规划路径安全行驶等. 本文针对嫦娥三号巡视器月面巡视对GNC系统的 任务要求及工作性能, 对月面自主导航定姿定位、协调运动控制、环境感知、 路径规划、激光探测避障以及地面试验等重要技术环节进行了分析, 研究月面制 导、导航与控制特性并进行实验验证, 进而对巡视器GNC技术进行了模拟仿真.      

应用改进果蝇优化算法的月面巡视器路径规划

文章针对果蝇优化算法易陷入局部最优的问题,对果蝇算法中的味道浓度判定值进行改进,并将其用于月球探测巡视器的动态路径规划。为验证算法的有效性,将改进果蝇优化算法与粒子群优化算法的路径规划寻优特性进行了仿真对比分析,结果表明改进果蝇优化算法具有良好的实时性,并有效解决了算法易陷入局部最优的问题。考虑到月球探测巡视器在沿规划路径进行月面巡视的过程中,有可能遇到未知障碍物的情况,提出了动态环境下月球巡视器遇到未知静态障碍物的避障策略。     

月面表层无人采样控制技术

针对"嫦娥五号"月面表层无人采样任务过程中机械臂精确控制难度大、器地协同工作复杂导致常规遥操作工作模式难以在有限时间内完成任务的问题,提出了月面表层无人采样高效控制方法和新的工作模式.通过建立采样区量化评价指标体系实现采样点规划、采用预先规划方法进行任务规划和机械臂运动控制规划、在线学习机械臂末端精调路径与多视角融合图...     

月面巡视探测器任务规划顶层设计与实现

针对巡视器月面任务规划工程的可实现性,开展了巡视器任务规划顶层设计方法的研究,主要内容包括:任务规划技术特点的梳理与归纳;任务规划输入条件与约束条件的整理,规划变量的统一;任务规划框架的设计,巡视器行为序列与上行控制指令的衔接,针对巡视器行为序列的大模式套用小模式的动态设计等。通过巡视器任务规划工程实现的介绍,说明在巡视器任务规划的顶层设计中,任务的不确定性、部分约束与输入信息的模糊性,是任务规划框架设计以及在后续工程实现过程中需要重点考虑的内容,是与任务规划的工程可实现性直接相关的。     

粒子激发X射线谱仪的热设计和热仿真计算

粒子激发X射线谱仪(APXS)安装在月面巡视器外部,利用巡视器的机动性和机械臂的灵活性,可以对月面有研究价值的月岩及月壤进行有针对性的探测.由于裸露在巡视器外部,月球复杂外热流会对APXS产生较大影响.鉴于此,需对APXS进行合理的热设计,以保证APXS的探测器和电子学器件工作在允许的温度范围内.提出了APXS的热设计方案,据此对APXS进行热仿真计算,计算结果得到了相应热平衡试验的较好验证.      

嫦娥三号“玉兔号”巡视器行为规划方法

为支持"玉兔号"巡视器完成对月面较大空间范围的科学探测,对动态任务进行快速规划,提出了一种基于人工智能领域智能规划技术的自动化任务规划方法。提出了行为持续时间和行为效果动态确定的时态规划模型(TP~(DDDE)),设计了描述TP~(DDDE)问题的规划领域定义语言PDDL——PDDL~(DDDE),以及针对TP~(DDDE)问题的启发式规划算法,运用Landmark知识分析规划问题结构,从而设计了合理反映动作前提评估顺序的启发函数。在嫦娥三号任务中,本文方法支撑"玉兔号"巡视器圆满完成了预期的科学探测任务。     

月面巡视器路径规划方法研究

在月面巡视遥操作过程中,需要根据感知数据确定科学探测目标,并逐层分解形成不同层次的规划结果。根据不同层次规划要求,结合月球背面巡视探测所需要面对的复杂约束,在探测周期规划中设计了月面综合环境立方模型和多约束导航点搜索算法,实现了综合考虑地形可达、光照情况、通信可达等多种因素的导航点搜索,在导航单元规划中设计了考虑地形行走代价、移动里程代价、操作控制代价等因素的平滑曲线路径搜索算法。在仿真实验环境中对上述方法进行了验证,结果表明了方法的有效性和实时性。     

一种基于时标状态的启发式航天器任务规划算法

深空探测领域对实时性要求较高,在较短时间内找到规划解是深空探测自主任务规划中的一个要求,运用启发式规划算法是达到该要求的方法之一。而深空探测自主任务规划的另外一个特点是需要处理持续动作和数值信息。针对深空探测任务特点,采用规划领域定义语言PDDL,建立深空探测领域中知识模型,描述操作中遇到的时间与资源约束;随后应用以条件数为代价的启发式搜索方法对深空探测规划问题进行求解,并将其与TFD规划器中以动作时间为代价的上下文增强累加启发式搜索方法得到的结果进行对比,得出以条件数为代价的启发式搜索方法在搜索速度方面效果更佳,满足深空探测自主规划任务实时性要求。     

深空探测器动态约束规划中的外延约束过滤方法研究

随着深空探测任务的增加以及星上科学任务的日益复杂,深空探测器自主任务规划与调度技术成为研究的热点。在深空探测器任务特点与系统约束分析的基础上,将智能规划理论与约束可满足技术相结合,研究多层约束规划模型中约束的动态特征,设计了基于动态约束表的外延约束快速过滤算法,根据领域信息中活动间的冲突性特征来对新加入的活动进行分类和一致性检查。仿真结果表明:提出的算法能够有效地降低约束处理中无效的约束检查次数,降低问题处理过程中的算法回溯,提高规划效率和成功率。     

面向非合作目标抓捕的机械臂轨迹规划方法

文章针对非合作目标抓捕问题设计了基于误差反馈系数的机械臂轨迹规划算法.考虑到空间机械臂在轨服务要求,采用反作用零空间方法来规划机械臂运动轨迹以实现机械臂与航天器之间的协调运动.为避免在规划起始阶段位姿误差较大可能导致机械臂关节速度过大的问题,引入了位姿误差反馈系数.为对空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划技术进行验证,搭建了地面半物理仿真系统.试验结果表明,通过合理选择位姿误差反馈系数,设计的轨迹规划算法能够使固定基座机械臂末端执行器以较为均匀的速度逼近非合作目标,并能以较高精度实现对非合作目标的抓捕.该试验可以为空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划提供参考.     

一种基于概率路线图的月球巡航车路径规划算法

为提高月球巡航车自主探测时的安全，提出一种基于概率路线图(Probabilistic Roadmap, PRM)的改进路径规划算法.该算法基于距离变换地图，改善PRM算法的采样方式，控制采样点远离障碍物，使规划的路径远离障碍物，避免紧贴障碍物前进的危险情况，提高了月球巡航车自主探测过程中的安全程度.为评估路径的安全性，提出安全警戒系数和最小安全警戒系数两个安全指标，并在月球表面仿真环境下对A*，PRM和改进的PRM算法生成的路径进行安全评估.结果表明改进的PRM算法相较于A*算法，安全警戒系数和最小安全警戒系数分别提升了2.20 m，1.00 m；相较于PRM算法，安全警戒系数和最小安全警戒系数分别提升了1.68 m，1.00 m.改进的PRM算法不局限于月球巡航车的路径规划，还可以应用于对路径安全性要求较高的探索机器人和自动驾驶汽车.     

R*-树结点自适应聚类分簇算法

为提高逆向工程中点云、三角网格等数据的索引效率,提出一种R^*-树结点自适应聚类分簇算法,采用均匀分布数据作为参考点集,基于间隙统计法及k-均值算法获得使结点相似度之和开始收敛的自然簇数,进而实现R^*-树的结点自适应聚类分簇.实验证明,该算法可实现各类复杂几何对象的R^*-树结点分簇问题,并能降低R^*-树结点分簇的参数依赖性,减少结点重合度,提高R^*-树空间数据查询效率.     

月面钻进真空环境模拟装置的设计与验证

探月工程（三期）项目提出了在月面进行至少2 m深度的钻取采样任务,前期需要在地面进行模拟月面钻进过程热特性的研究,为此本文发明了一套月面真空环境模拟装置。根据模拟月壤钻进试验的要求,设计了一种可从底部抽气的三段式可多次拆装的真空罐结构。考虑到模拟月壤的颗粒大小和快速抽真空的要求,设计了一种筛网状具有多层过滤结构的月壤筒。根据在真空度不变的条件下可进行连续多次钻进试验的要求,设计了可从外部操作的具有缺齿结构的月壤筒转动机构。由真空度要求和可耐粉尘的特性要求,选取了三级扩散泵组。实验表明,在不放置模拟月壤的情况下,本环境模拟装置中的真空度可达10-1 Pa,在放置模拟月壤的情况下,真空度可达7 Pa,能够满足模拟月面钻进过程热特性试验的要求。此外,通过测量抽真空过程中真空度随时间的变化情况还得出了模拟月壤出气量曲线,对模拟月壤真空系统的实验应用具有重要价值。      

双机器人系统的碰撞检测算法

针对共享工作空间的双机器人系统,提出一种双机器人碰撞检测方法和机器人简化的几何模型.首先将机器人的关节和连杆分别用球体和胶囊体（由一圆柱体与两个在两端的半球体组成的复合几何体）两种几何基元表示,机器人之间的碰撞检测转化为几何基元之间的干涉检查,即转换为几何基元间的距离计算;针对胶囊体之间的距离计算,提出一种空间线段间的距离计算方法.将碰撞检测算法应用于KUKA双机器人实例中,并在UG平台进行仿真,仿真结果验证了该算法的有效性.     

基于可通过性的月面巡视探测器路径规划算法

应用于行星探测车的路径规划算法需要根据地形环境信息和车体的越障能力两方面进行考虑。结合月面巡视探测器移动子系统的通过特性以及地形信息将地图栅格进一步细分,使用了四个安全性指标描述车体静止或运动时的通过性,并将其引入到A~*与D~*两种规划算法的代价当中,给出了算法的流程,并通过仿真进行了验证。     

基于人工势场法的月球表层采样装置避障规划

表层采样技术是获取地外天体土壤样品的重要手段,为在月表复杂地形、不确定着陆姿态、不规则器表包络约束下,快速获取安全的表层采样动态轨迹,文章根据四自由度表层采样装置设计,分析了工作过程中的正逆运动学关系;根据表层采样装置动、静态目标点运动要求,将约束空间分解为有效障碍检测区与不可达集,进行表层采样避障规划;为加快规划速度,针对表层采样装置瞬态构型构建了动态障碍检测区、动态不可达集;结合人工势场法提出了避障规划算法。对典型姿态下表层采样过程的避障规划仿真表明,该算法可实现约束条件下的表层采样轨迹规划,并对表层采样装置适应性设计提供支持。     

超临界压力RP-3在竖直细圆管内混合对流研究

研究了超临界压力下碳氢燃料航空煤油RP-3在竖直细圆管内混合对流,分析了浮升力及热物性对碳氢燃料在垂直管中对流换热的影响。实验中控制热流密度从200~500 kW/m2变化,进口压力变化范围为3~5 MPa,进口雷诺数从5 000~10 500范围内变化。研究表明:在向上流动情况中进口段存在较为明显的入口效应,换热出现恶化现象,而在向下流动中未出现;对于向上和向下流动,由于热物性的综合影响,换热系数沿流动方向增大;在较低进口雷诺数(Re=5 700)时,对于向下流动,随着浮升力影响的增大,浮升力改变了流体径向速度分布,出现了换热强化;在较高进口雷诺数(Re=10 500)时,浮升力对换热的影响依然显著;判别式Bo*数小于5.6×10-7未能预测浮升力对碳氢燃料换热影响。      

月尘静电迁移研究进展

月尘的静电悬浮和迁移是Apollo时期留下的最有争议的问题之一. 其既是研 究月球表面物质演化历史的重要线索, 也是探月工程必须考虑的重要因素. 月尘在月表环境下易因电子附着、光电效应、二次电子发射等过程带电, 并 在月球全球性静电场作用下发生迁移运动. 但目前对月尘静电迁移过程的认 识还不全面, 其主要原因在于对月尘静电特性的了解不够准确, 对静电迁移 过程的地面模拟不够充分以及对月球尘埃环境的探测较为缺乏. 未来需进一 步开展模拟月尘的研制, 月尘静电特性的分析, 静电迁移过程模拟以及尘埃 环境的探测等工作.      

Obstacle avoidance handling and mixed integer predictive control for space robots

This paper presents a novel obstacle avoidance constraint and a mixed integer predictive control (MIPC) method for space robots avoiding obstacles and satisfying physical limits during performing tasks. Firstly, a novel kind of obstacle avoidance constraint of space robots, which needs the assumption that the manipulator links and the obstacles can be represented by convex bodies, is proposed by limiting the relative velocity between two closest points which are on the manipulator and the obstacle, respectively. Furthermore, the logical variables are introduced into the obstacle avoidance constraint, which have realized the constraint form is automatically changed to satisfy different obstacle avoidance requirements in different distance intervals between the space robot and the obstacle. Afterwards, the obstacle avoidance constraint and other system physical limits, such as joint angle ranges, the amplitude boundaries of joint velocities and joint torques, are described as inequality constraints of a quadratic programming (QP) problem by using the model predictive control (MPC) method. To guarantee the feasibility of the obtained multi-constraint QP problem, the constraints are treated as soft constraints and assigned levels of priority based on the propositional logic theory, which can realize that the constraints with lower priorities are always firstly violated to recover the feasibility of the QP problem. Since the logical variables have been introduced, the optimization problem including obstacle avoidance and system physical limits as prioritized inequality constraints is termed as MIPC method of space robots, and its computational complexity as well as possible strategies for reducing calculation amount are analyzed. Simulations of the space robot unfolding its manipulator and tracking the end-effector’s desired trajectories with the existence of obstacles and physical limits are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed obstacle avoidance strategy and MIPC control method of space robots.