基于螺旋理论模块化机器人运动学分析与仿真

基于螺旋理论对模块化机器人的速度级和位移增量级运动学关系进行了分析,开发了模块化冗余度机器人的逆运动学控制算法.针对模块化机器人可能具有任意自由度和任意构型、可以经常快速安装和拆卸、易于可重构且由系列化、标准化部件组合的特性,开发了具有自动建模功能的模块化机器人仿真系统.该仿真系统由模块构造器、机器人建造器、图形示教和运动规划仿真器等分系统组成.通过一个7-DOF模块化串联机器人抓放工件的演示实例验证了所提算法和仿真系统的实用性.     

卫星高功能密度综合电子系统设计

微小卫星综合电子系统承载了卫星大部分功能，是卫星任务处理和控制的中心，未来新的智能化应用、星群应用、通信服务等需求也将由卫星执行，对综合电子系统提出了新的要求。分析了国外典型小卫星综合电子系统，具有功能综合度高、多数功能集中在一台计算机中、卫星功能软件化的特点。设计了基于软件定义的综合电子系统一体化结构，硬件采用高度集成的模块化设计，软件采用分层和组件化设计，将系统功能进行分层，通过软件定义组件的方式实现各层功能和业务。高功能密度综合电子系统由一个通用化的高性能硬件平台和各种可加载的APP软件组成，除传统功能外，还可扩展自主任务管理、星间组网和载荷管理等功能，不仅使卫星的集成度和功能密度大幅提升，还能实现卫星功能重构，达到一星多用、一星多能的目的，有利于紧急时期卫星系统快速构建与应用，对于未来星座组网应用也具有一定意义。     

可重构履带机器人的机构设计与控制方法实现

开发了用于完成复杂地形侦察作业的可重构履带机器人.从可重构机器人的特点出发,研究了模块化的机械电气结构和控制方法实现.设计实现的可重构机器人由4个基础运动模块,3个连杆模块和2个转动关节模块组成,通过各个模块的不同组合形式,实现了机器人构型的可重构.系统采用分布式控制体系,研究实现了机械构型发生改变时,基于ARM(Advanced RISC Microprocessor)的实时嵌入式控制系统的可重构.通过模拟楼宇内房间侦察作业,验证了可重构履带机器人具备复杂地形环境适应能力和简单方便的可重构性能.     

模块化可展开天线支撑机构运动学建模与分析

模块化可展开天线具有拓展性强、灵活性高、适应性好等特点，是满足未来可展开天线大口径发展趋势的一种较为理想的结构形式。为研究由六棱柱模块组成的可展开天线支撑机构多模块联动展开运动特性，提出一种多模块联动展开运动学建模方法。根据可展开天线的结构组成及展开原理，建立了可展开天线机构关键点的空间几何模型，基于机器人学中的D-H法和坐标变换等理论，分别建立了基本单元、单模块和多模块的运动学模型，最后采用MATLAB数值仿真软件，对运动学模型进行了验证及分析。结果表明：该运动学模型可以对多层模块的可展开天线机构进行运动学分析，各模块实现了协调联动、同步展开，同时该模型为机构的动力学特性分析、动力源配置及优化等研究提供了研究基础。     

铰链展开式构型航天器设计及其动力学仿真

基于航天器结构的模块化设计概念,设计了一种空间可展开航天器模块化结构构型,即铰链展开式构型。利用虚拟样机技术,建立了模块化本体和太阳翼虚拟样机模型。在空间失重环境下,分析了模块化本体和太阳翼在3种展开顺序下（本体各模块和太阳翼同时展开、太阳翼先展开本体各模块后展开和本体各模块先展开太阳翼后展开）对航天器姿态的影响,同时对比了不同扭簧参数对姿态角和展开时间的影响。仿真结果表明该模型可为未来高机动、多型态、多用途自适应变构型航天器的设计以及空间姿态控制提供技术支持和借鉴。     

模块化抛物面折展机构设计与优化

抛物面天线作为卫星上重要的功能组件，是实现遥感测量和无线通信等功能的基础。为了解决模块化抛物面天线折展机构构型设计与刚度匹配困难的问题，提出一种基于剪刀机构的肋单元折展机构的构型方法，并设计了肋单元折展机构。通过运动学分析，验证了该机构通过参数的修改，可以实现同一折展机构展开状态包络不同抛物面拟合球面。给出一种包络锥法实现多模块折展机构展开过程的求解思路，为可转动肋单元的运动副配置提供依据。构建多模块折展机构的有限元模型，以提高固有频率和降低整体质量为优化目标，对肋单元折展机构的构型参数进行优化。采用非劣排序遗传算法完成优化迭代计算,得到具有高刚度、轻量化的折展机构设计参数，在相同条件下优化后调和平均固有频率提高了67.4%，天线整体质量下降了35.2%。     

运载火箭姿控系统组件化模型库设计与应用

为解决航天高密度的发射背景下,型号任务紧迫性与仿真系统建设周期长、重用性低之间的矛盾,提出了面向飞行性能仿真的运载火箭姿控系统通用仿真建模技术,采用模块化、层次化、标准化的建模思想,通过模块式拼装的方式快速搭建所需控制系统仿真模型,支持关键仿真参数灵活配置,提高了在运载火箭飞行性能仿真试验中姿控系统仿真模型的可重用性和技术成熟度,从而达到快速响应不同型号、不同仿真需求的目标。     

深空探测器模块化结构动力学研究

随着深空探测器技术的不断发展,深空探测器设计逐渐转向模块化和标准化。串联结构是模块化深空探测器常见并较为合理的结构形式,而如何将运载对探测器整体模态频率的指标要求合理转化为对探测器各个模块结构的设计要求是当前工作中的一项挑战。根据子结构综合模态法并基于固定边界法和悬臂梁理论,提出了探测器子结构模块动力学模态指标的分配方法。采用3种子结构模块极限处理方法,用全解析方式推导了子结构模块的基频表达式,并分析了子结构模块的动力学特性与探测器整体结构动力学特性之间的关系。提出的子结构模块的动力学指标分解方法操作简单,精度较高,可为串联式模块化深空探测器的设计提供关键性的指导。     

一种柔性可展桁架结构的主动振动抑制技术

针对柔性可展桁架结构的主动振动抑制问题,提出一种采用作动执行机构的主动振动控制方法。首先基于模态综合方法建立智能柔性可展桁架结构的动力学模型,然后采用动态滑模控制律设计了主动振动控制器,并基于遗传算法对作动执行机构的布局配置进行优化,最后通过数学仿真验证,仿真结果表明了方法的有效性。     

基于STM32和ET1100的无刷直流电机控制器设计

利用STM32的控制性能和丰富外设，采用模块化方法设计了一款基于STM32ZET6单片机和ET1100专用以太网芯片的、具有工业以太网功能的无刷直流电机控制器。在设计中,以STM32ZET6作为微处理器，采用了IR2136驱动芯片及ET1100工业以太网芯片，分别实现了对无刷直流电机的调速功能，以及对上位机的EtherCAT通信功能。针对传统设计中SPI串行接口未能充分发挥工业以太网的优越性能的问题，设计中利用STM32ZET6特有的FSMC机制实现了EtherCAT模块的并行接口设计，使系统的实时性能有了很大提升。该控制器设计成本低、集成度高、实时性强，特别适用于工业领域。     

一种面向模块化可重构机翼的分步补偿优化方法

针对模块化可重构机翼结构的优化设计问题,以沿展向分布的3个翼段模块为研究对象,研究了不同翼展方案机翼的载荷相关性,通过在优化迭代过程中自动调整设计空间,解决了模块化可重构机翼优化设计时复杂的变量-约束耦合影响问题,建立了适用于模块化可重构机翼结构的分步补偿优化方法。以某无人机模块化可重构机翼结构优化设计问题为例,建立了优化模型,并分别采用所提分步补偿优化方法和传统单方案优化方法进行了优化设计。结果表明:所提方法能够稳定收敛,与单方案优化结果相比较,所提方法以较小的重量代价满足了3种重构方案的所有设计要求,且优化结果具有较好的工程实用性。      

构架式可展开天线反射器模块化构型设计优化

针对构架式可展开天线反射器模块化构型要求, 基于螺旋理论分析了模块及多模块组网的自由度,采用模块组合思想降低了构架式可展开天线反射器结构设计复杂性。首先,在由四面体单元组成的构架式天线反射器结构基础上,利用3个相同构型的3RR 3RRR四面体单元构建平面模块,再采用模块间花盘与花盘连接方式组网形成构架天线反射器;其次,基于构架式天线反射器的可收展的期望运动,运用螺旋理论验证模块化构架式天线的可展性;最后,针对花盘姿态变化型综合,优化模块间连接运动副,使构架式可展开天线反射器收拢后达到最大收纳比。研究表明模块化构架式可展开天线反射器具有可展性,当模块间采用万向副连接时,组装的二圈模块化天线反射器为8自由度机构且能完全收拢。模块组网后的构架天线反射器具有收纳比高、自由度少的优点,在较少驱动下可使天线展开完全和展开可控,在航天机构领域具有良好的应用性。     

基于保障系统三维模型的飞机RMS仿真分析方法

利用仿真方法研究军用飞机可靠性维修性保障性(RMS,Reliability,Maintainability and Supportability)设计指标确定问题.介绍了保障系统三维模型的内涵,结合三维模型原理和模块化设计原则建立了飞机RMS仿真分析框架,对框架内各模块功能及内涵给予了介绍.给出了仿真分析总体流程,以及对仿真数据进行后处理获得评价参数的计算方法.运用蒙特卡罗仿真方法对军用飞机的RMS设计指标进行实例分析,获得了满足保障效能要求的RMS设计指标方案集,对研制阶段装备设计指标论证有重要的参考价值.     

平面并联机器人的轨迹控制与在线监控

提出了三自由度平面并联机器人的运动学控制方法,通过逆向运动学求解实现对机器人的轨迹规划;提出完成并联机器人在线监控的2个步骤:首先利用解析法实现并联机器人的正向运动学分析,再综合运用二分法和插值法进行正解的在线计算.还研究和完成了基于PC的模块化机器人控制系统设计,该设计主要包括使用C+ +语言完成并联机器人运动学控制算法编程和设计基于PMD(Performance Motion Devices)的模块控制器.该控制系统在三自由度模块化平面并联机器人上进行了演示,并将在MATLAB下实现的数值法与C+ +语言编写的解析法进行了比较,其结果验证了运动学算法和运动控制器的性能.      

基于FPGA的直接驱动阀用音圈电机功率驱动器

音圈电机的功率驱动器对控制器运算速度要求较高,传统方法普遍采用模拟控制,但其存在调试不便、特性漂移、不易实现复杂控制算法、无法与数字控制器直接实现接口等固有缺点.介绍了基于现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)的采用全数字式控制的直接驱动阀用音圈电机功率驱动器.利用FPGA通过模块化设计,实现了产生脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation)信号、电流信号采样及其数字滤波、电流闭环控制以及与其它数字控制器的通讯等功能.仿真及实验结果表明:所设计的基于FPGA的音圈电机功率驱动器具有良好的电流跟踪性能,可以满足直接驱动阀系统的控制要求.FPGA的运用,大大简化了系统硬件结构,提高了系统的控制性能,且便于扩展功能以及与其它数字控制器实现接口.     

航天器模块划分数值优化方法

对航天器模块划分主要依靠经验和定性方法的问题,构建了一种通用的模块划分数值优化方法。利用功能分解方法、相关性评价准则、设计矩阵与设计结构矩阵（DesignStructureMatrix,DSM）同步演化的机制获得了基于功能元的数值DSM;基于DSM构建了遵循公理化设计原理的通用优化模型;利用遗传 模拟退火算法获得了可对模块划分方式及数目进行同步优化的模块划分方法;给出了不同于优化目标的评价方法。仿真结果表明,该方法可将航天器划分为一系列内聚度高、耦合度低的模块。     

基于仿真模板的控制系统可靠性分析

提出面向对象的计算机辅助故障模式影响分析(CFMEA)方法,建立了控制系统仿真模板,将其数据、操作和性能封装成一个对象,对象间通过属性进行因果推理,实现FMEA向故障树(FTA)的自动转换.引入控制系统性能可靠性概念,建立控制系统性能和功能综合可靠性模型,开发相应的解算方法.实例分析证明了基于仿真模板的控制系统可靠性分析的有效性, 综合了功能和性能可靠性分析的优点.