近距离星间相对姿轨耦合动力学建模与控制

针对在轨服务过程中近距离星间相对位置以及相对姿态精确控制的问题,考虑相对姿态与相对轨道之间的耦合作用,建立星间相对姿轨耦合动力学模型.提出编队星相对基准星进行接近绕飞的任务需求,给出相对姿态以及相对轨道的期望状态.设计相对姿态轨道联合控制算法对相对姿态和轨道进行联合控制.仿真结果表明,所设计的控制算法能够很好地抑制相对姿态与相对轨道的相互影响作用,最终实现编队星对基准星的精确指向绕飞运动.     

柔性空间机械臂捕获卫星过程的碰撞动力学、镇定控制和柔性振动线性二次最优抑制

研究空间机械臂系统捕获卫星过程的碰撞动力学及受碰撞后不稳定系统的控制问题. 利用第二类拉格朗日方程推导得到空间机械臂系统的动力学模型. 在空间机械臂捕获卫星而受碰撞冲击过程中,利用动量冲量法评估碰撞冲击对空间机械臂系统运动状态变化的影响效应. 为使受碰撞冲击后不稳定的空间机械臂与被捕获卫星组合体系统恢复稳定,设计了线性反馈和线性二次最优复合控制算法对受碰撞冲击后空间机械臂系统进行镇定控制和柔性杆振动抑制,所提出的控制算法无需控制漂浮基的位置,从而可以节省漂浮基位置控制推进器燃料消耗. 通过数值算例模拟了碰撞冲击对空间机械臂系统运动状态的影响效应并验证上述控制算法的效果.      

仿生爬壁蠕虫运动步态控制算法

设计了一种基于仿生原理的爬壁蠕虫机器人,分析了这种机器人的结构,并利用仿生学原理设计了基于三角波和梯形波特点的两种运动步态.在分析现有神经中枢控制CPG(Central Pattern Generator)算法基础上,应用循环抑制CPG模型和相互抑制CPG模型,构建了爬壁蠕虫机器人的三角波步态CPG控制网络和梯形波步态CPG控制网络,并结合吸盘状态,加入反馈信号,实现了带有反馈的CPG控制算法.利用爬壁蠕虫机器人模型,仿真验证了这种控制算法对蠕动运动步态控制的有效性,通过在爬壁蠕虫机器人原理样机上的步态实验,证明了该算法的可行性.     

考虑失效性故障的火星探测器进入段姿态容错控制

火星进入过程中的故障和外部干扰不可避免地降低了火星进入制导和控制算法的性能。利用反步法设计了一种对转动惯量信息变化不敏感的火星进入姿态容错控制算法。首先,将虚拟控制律的微分量视作干扰量,利用自适应技术对其进行补偿,避免了传统反步法微分爆炸的缺陷。同时,控制设计过程中显式地引入了饱和函数,保证了在存在输入饱和的情况下,控制律仍然能使得探测器姿态保持稳定。最后,以“火星科学实验室”探测器为模型进行了数值仿真验证,结果表明该控制律在存在输入饱和约束、转动惯量不确定性、执行机构部分失效甚至完全失效的工况下,仍然能够完成对姿态的精准跟踪。     

基于有限差分法的双臂关节柔性空间机器人智能递阶控制策略

谐波减速器和力矩传感器等柔性元件广泛应用于空间机器人关节系统，以获取高减速比.这些柔性元件为空间机器人系统引入关节柔性，使得对其的稳定控制变得更为复杂.本文讨论研究了参数不确定双臂关节柔性空间机器人基于有限差分法的智能递阶控制及弹性振动抑制.运用递阶系统理论、动量守恒原理及第二类拉格朗日方法推导出系统递阶动力学模型.利用该模型，设计了基于模糊回归神经网络的非奇异Terminal滑模控制算法和基于有限差分法的滑模控制算法.采用模糊回归神经网络（Recurrent Fuzzy Neural Network，RFNN）逼近系统的不确定部分.为避免复杂的求导计算及角加速度可测要求，利用基于有限差分法的滑模控制来抑制柔性关节振动.由于设计控制器过程中未涉及惯常的奇异摄动双时标分解操作，该控制算法理论上具有适合任意大小关节柔性刚度的优点.系统对比仿真试验证明了智能递阶控制算法优于传统基于奇异摄动法的控制方案.      

刚体卫星姿态的有限时间控制

针对刚体卫星的姿态控制问题,设计了不存在和存在扰动力矩两种条件下的有限时间状态反馈控制律.对于无扰动力矩情形,基于非线性齐次系统性质,设计了一种便于工程实践性的连续、非奇异的比例微分形式控制算法,保证姿态闭环系统有限时间收敛到零点,而且此算法能直接推广到卫星姿态跟踪问题.对于存在扰动力矩的情形,基于有限时间Lyapunov定理设计的连续、非奇异的控制力矩保证卫星姿态和角速度在有限时间内收敛到原点附近的邻域.当外扰力矩为零时,此控制律使闭环系统状态有限时间收敛到平衡点.数学仿真结果说明了提出的控制算法有效.     

无人机集群编队控制演示验证系统

为验证无人机集群编队控制算法在实际环境中的有效性,基于四旋翼无人机平台和双数据链、双地面站冗余设计,搭建了分布式控制的无人机集群编队控制演示验证系统。基于分层控制和封装的思想,将无人机控制系统分为执行层和决策层。执行层采用PIX自驾仪进行封装,只需修改自驾仪参数,不需针对不同无人机平台开发相应的控制策略,就能实现对异构集群的控制。需要验证不同的编队控制算法时,只需对决策层的控制算法进行修改即可,使系统具有较强的适应性和扩展性。演示验证系统采用双地面站和数据链,可实现在多种网络拓扑或通信失败情况下的无人机集群控制,具有较高的稳定性和安全性。应用领导-跟随协同编队控制算法,验证了本文演示验证系统的功能和性能。      

一类微型扑翼飞行器的滑模自适应姿态控制

针对微型扑翼飞行器这类非线性时变系统,基于李雅普诺夫稳定性理论提出了滑模自适应控制算法,应对系统中的不确定性和抑制扰动,完成飞行器悬停阶段调整方位的姿态控制.在高频的扑翼状态下,系统模型利用摄动理论中的平均化法进行近似时不变处理.控制器的设计以滑模控制为主体,滑模面利用误差角三角函数和体角速度构造,来避免不必要的偏航控制,同时结合自适应控制方法,实时逼近无法准确计算的惯性张量和干扰力矩,缓解传统滑模控制中开关函数所带来的抖振问题.Simulink仿真结果表明,滑模自适应控制算法优于传统滑模控制,在正弦干扰气流的影响中有良好的鲁棒性,以此验证了算法的可行性.     

仿射非线性系统的二阶滑模控制律研究

分析现有滑模控制算法特别是二阶滑模控制算法在抑制抖动和鲁棒性等方面所存在的问题,以仿射非线性系统为对象,针对近似时间最优的二阶滑模控制律收敛速度慢和抖振较大的问题,提出改进控制算法,通过设计适当的约束条件和修正滑模趋近加速度,提高了二阶滑模的响应速度,并在不损失鲁棒性的前提下削弱了抖振的频率和幅度.以单摆模型为例,分别对该算法和二阶Lyapunov函数法以及一阶指数趋近法进行仿真研究,仿真结果表明该算法适用于具有不确定性的非线性系统,并在削抖和快速响应方面具有相对优势.     

Stochastic particle acceleration by the forced interaction of relativistic current sheets

We address the problem of interacting relativistic current sheets in self-consistent kinetic plasma simulations within the framework of the Particle-In-Cell model. The interaction is enforced in head-on collisions of up to 10 current sheets at relativistic bulk speeds. The simulations are motivated by the general problem of Poynting flux dissipation in ‘striped wind’ configurations presumably governing the relativistic outflows pervasive in pulsar winds and gamma-ray bursts. We identify the generation of non-thermal particles and formation of a stable power-law shape in the particle energy distributions f(γ) dγ ∝ γ^−s dγ. In 1D, a spectral index s ∼ 2 is observed and attributed to a stochastic Fermi-type acceleration mechanism. In 2D, the generic index of s ∼ 3–4 is retained as in previous simulations of individual current sheets. Whereas in 2D the high energy cut-off is constrained by the limited dissipation of magnetic energy, in 1D the process converts the bulk motion of current sheets towards directed particle momentum of an exclusive class of non-thermal particles.     

Concept options for the aerial survey of Titan

Various aerial platforms intended for long endurance survey of the Titan surface are presented. A few novel concepts are introduced, including a heated methane balloon and a balloon with a tethered wind turbine. All the concept options are predicted to have lower scientific payload fractions than the Huygens probe. It is concluded that the selection of the best aerial platform option depends on more accurate mass estimates and a clear decision on whether, or not, in situ surface composition measurements are required in conjunction with aerial remote sensing.     

Heterogeneous solid/gas chemistry of organic compounds related to comets,meteorites, Titan,and Mars: Laboratory and in lower Earth orbit experiments

To understand the evolution of organic molecules involved in extraterrestrial environments and with exobiological implications, many experimental programs in the laboratory are devoted to photochemical studies in the gaseous phase as well as in the solid state. The validity of such studies and their applications to extraterrestrial environments can be questioned as long as experiments conducted in space conditions, with the full solar spectrum, especially in the short wavelength domain, have not been implemented. The experiments that are described here will be carried out on a FOTON capsule, using the BIOPAN facility, and on the International Space Station, using the EXPOSE facility. Vented and sealed exposition cells will be used, which will allow us to study the chemical evolution in the gaseous phase as well as heterogeneous processes, such as the degradation of solid compounds and the release of gaseous fragments.     

基于LuGre模型的电液加载系统摩擦补偿

为了提高电液加载系统控制精度,针对摩擦问题提出了基于LuGre摩擦模型的前馈补偿方法.建立了用于摩擦仿真分析和补偿器设计的电液加载系统数学模型;通过实验获取并分析了相关的摩擦数据;基于实验数据进行LuGre模型参数辨识,把LuGre模型和辨识结果引入电液加载系统数学模型,并进行仿真结果与实际摩擦数据的对照,证明了LuGre摩擦模型的准确性.设计前馈补偿器,进行了实验对比,实验结果表明前馈补偿器可将摩擦产生的控制误差有效地降至未补偿时的30%左右.      

CoRoT and Kepler results: Solar-like oscillators

The space-borne observatories CoRoT (Convection Rotation and planetary Transits) and Kepler have provided photometric time series data of unprecedented precision for large numbers of stars. These data have revolutionized the fields of transiting exoplanets and asteroseismology. In this review some important asteroseismic results obtained using data from the CoRoT and Kepler space missions concerning stars that show solar-like oscillations are discussed. These results comprise, among others, measurements of the location of the base of the convection zone and helium second-ionization zone in main-sequence stars, the presence (or not) of core-helium burning in red-giant stars, as well as differential rotation in these stars.     

The ESA scientific programme

The ESA scientific programme has, so far, provided several significant astrophysics experiments and further important missions are scheduled for execution during the next decade. These missions are briefly summarised together with several astrophysics investigations presently under study.     

HELIO: The Heliophysics Integrated Observatory

Heliophysics is a new research field that explores the Sun–Solar System Connection; it requires the joint exploitation of solar, heliospheric, magnetospheric and ionospheric observations.     

Radioactivity of the Moon and planets

In this report the main results of the study of radioactivity of the solar sistem bodies are considered. The radioactivity of the Moon and planets was measured by means of vehicles in situ. The radioactivity of the lunar samples, brought to the Earth was studied with laboratory equipment.     

一种提高螺栓联接强度的新方法

根据山本晃教授对螺栓，螺母，螺纹牙受力及其变形研究的成果，导出了该理论条件下受拉螺栓在等载荷受力状态下，当螺栓螺纹采用标准尺寸，螺母螺纹的螺旋线形状，并依据实用性，从螺母螺纹加工方便考虑，提出了近似等负荷螺纹。     

直尺反转组合法测量直线度的理论分析

对直尺反转组合法的测量原理进行了较为深入的理论分析，指出测量的准确性受测头误差、采样点定位误差、直尺尺面斜率、直尺再定位误差、直尺各点直线度误差的变化率等五个方面共同作用。其中，采样点定位误差和直尺安装斜率影响直线度测量准确度这一结论，将适用于其他的直尺直线度测量方法，因而具有普遍的指导意义。