有限推力能量、燃料最优轨道转移控制

应用间接法研究了时间固定下的能量、燃料以及能量-燃料最优有限推力轨道转移控制问题.燃料最优问题因存在奇异性而不易处理,引入能量性能指标可以消除奇异性,应用ε算法寻求解决了燃料最优轨道转移问题.应用极小值原理,设计了最优控制器,应用单值打靶法研究了相应轨迹优化问题转化的两点边值问题.数值结果表明在相同推力、相同轨道转移时间条件下,三种最优控制方式得到的最优轨迹几乎相同;同时也表明给定初始和目标轨道,轨道转移任务消耗的燃料是确定的,推力大小只影响轨道转移的圈数.     

考虑轨控调姿的共面椭圆轨道寻的交会

在交会对接寻的段,为了保证自主测量导航设备的连续跟踪和追踪航天器飞行姿态的稳定,要求寻的段尽量采用水平脉冲进行控制,使对地定向的追踪航天器在寻的轨控期间尽量不调姿或调整的姿态角尽量小。本文考虑轨控前调姿的航天器两脉冲寻的交会问题,提出了轨控调姿定量指标并给出了物理解释和数学定义。根据轨控调姿位置和次数不同,将问题分为首脉冲不调姿、末脉冲不调姿、两次均不调姿和两次均调姿等4类。对于前3类问题,提出迭代求解算法;对于第4类问题,提出非线性规划求解算法。最后,将调姿指标和特征速度的等值曲线叠加,提出了"交会参数设计图",可以快速直观地筛选出满足期望指标的交会参数集,辅助交会策略的制定。仿真结果验证了本文提出方法的有效性。     

微型涡桨发动机动力涡轮叶片与机匣碰撞失效仿真分析

针对某微型涡桨发动机试车过程中出现的叶片断裂及机匣包容性问题,利用接触-碰撞动力学方法模拟了单叶片断裂后对叶片和机匣的碰撞失效过程,对碰撞位置、碰撞中的能量变化、等效应力/应变等进行了分析。结果表明,单涡轮叶片断裂情况下,叶尖和叶根依次与机匣碰撞产生两个撞击点,不考虑其余叶片的影响下,第一个撞击点由于叶尖滑动耗散部分能量,第二个碰撞点受到的冲击更大。考虑整周涡轮叶片旋转情况,断裂单叶片受后方旋转叶片驱使,动能大幅增加了,第一个碰撞点造成冲击更大。因此,在机匣包容性分析中,需考虑其余旋转叶片增强断裂叶片动能的影响。     

空间平台发射拦截器动力学与最优脉冲拦截

研究了空间平台发射拦截器的两体耦合动力学,以及拦截器拦截目标星的最优脉冲控制问题。平台首先与目标星形成绕飞关系,保持其发射筒轴线始终瞄准目标星。接到发射指令后,拦截器从发射筒中射出,本文采用拉格朗日第二类方程建立了发射过程平台-拦截器两体动力学模型。因为两体耦合影响,平台姿态偏转,拦截器出筒时的速度已经不能瞄准目标星。通过小型火箭发动机给其施加速度脉冲,使其进入拦截轨道,保证拦截的同时,将脉冲速度最小化以节省燃料,本文将其归结为一个非线性规划问题,采用三级优化的策略来求解。在拦截飞行时间相较于平台绕飞目标星的周期是小量的条件下,可以视绕飞平均角速度为小参数,采用正则摄动方法求出非线性规划的一阶近似解,然后以此为迭代初值,寻找最优真解。最后进行了数值仿真验证。     

距离多普勒成像和多散射点定位

距离多普勒雷达成像系统的基本任务是利用雷达回波信号的距离和多普勒信息重构目标反射率的空间分布。本文把用逆合成孔径雷达对运动目标进行距离多普勒成像当作多散射点定位问题来研究,把成像雷达信号处理的两个关键,运动补偿和成像作为最大似然估计问题一起求解。原则上需进行多维搜索,一般情况下,目标上散射点的个数、位置以及目标的轨道运动都先验未知,这种求解的计算量极大。在若干合理的假设成立时,可引入DFT,免去估计散射点个数和位置,大大减少搜索维数,并可利用FFT,从而大大提高计算效率。这样做的代价是最终的成像质量有所下降。当目标轨道运动模型可用二次的距离时间函数描述时,只需进行二维搜索,文中导出了进一步简化的相位补偿和成像算法,并给出了计算机模拟结果。     

基于多目标协同进化算法的多机器人路径规划

提出一种合作型多目标优化协同进化算法,并应用于具有3个优化目标的多机器人路径规划问题中.算法采用一种新型的子群体间合作方式,提高了候选解的多样性,且避免了在一般多目标进化算法中难以处理的适应值分配或非支配排序过程,减小了对计算资源的消耗.针对多机器人路径规划问题的特点,给出了多机器人间的协调策略,并在算法的群体初始化和进化算子的设计中,引入了基于问题专门知识的启发式方法.在复杂工作环境下的仿真实例表明了算法的有效性.     

基于机器学习的机翼气动载荷重构及传感器优化布置

风洞实验通过在机翼表面布置传感器来测量相应位置的气动载荷，由于传感器布置数量有限，难以直接得到整个机翼全息气动载荷分布。本文采用机器学习方法通过有限传感器数据重构机翼表面全息气动载荷，并提出了利用仿真数据对传感器进行优化布置的方法。从计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）计算所得的机翼全息气动数据中选取有限位置数据模拟传感器实验数据，对比深度学习模型、高斯过程回归（Gaussian process regression, GPR）、支持向量回归（Support vector regression, SVR）与BP神经网络（Neural network, NN）对气动载荷的重构精度。通过评估由传感器数据重构的全息载荷精度对传感器布置方式进行优化设计。以M6机翼为例在给定的两个工况条件下验证本文所提出的方法。实验结果表明，GPR模型获得了最高气动载荷重构精度；给出了M6机翼在不同传感器总数下最优的截面数和单个截面布点数，最低传感器布置数下的最优布置方式，以及流场变化相对剧烈的前缘区域与展向截面的传感器布置方式。     

脉冲风洞发动机试验多油位多时序高精度燃料供应系统

针对脉冲风洞超燃冲压发动机试验要求燃料供应快速、稳定、精确的特点,设计了一套燃料供应系统,可多油位多时序高精度地实现试验模型燃料供应、模型点火器气源供应、气体节流气源供应等功能.该系统供应的燃料为乙烯、甲烷、氢气及其混合物.采用压力补偿装置,保持燃料稳定供应,实现燃料当量比精确控制.设计了由电磁阀和气动阀组合而成的快速供气阀门,阀门开启时间小于20ms,关闭时间小于30ms,实现燃料的安全、快速供应.对超燃发动机模型不同油位设计了专门的供油回路,通过电磁阀控制系统,实现多个油位不同时序的控制动作,时序控制精度达到1ms.给出了详细的系统设计回路,并对关键部件参数进行了计算.点火试验表明该系统可以为点火器提供稳定的空气和氢气,点火器正常时间超过500ms.在脉冲式直连式试验台上,进行了乙烯燃料超燃发动机试验,对该套供油系统进行了测试.试验监控了供油管道及模型壁面的压力分布,供油压力在试验时间内波动小于3%,发动机壁面压力显示燃烧性能良好.空气节流试验表明,该系统提供的时长为100ms、压力为4.7MPa的节流空气成功点燃了乙烯.     

基于PIV技术的压力场重构算法实现与研究

介绍了有限容积法、直接积分法和Poisson方程法3种基于PIV瞬时速度场重构压力场的基本原理以及相应的计算方法，选取管流突扩流场和偏置方块绕流流场两个不可压缩流场的瞬时速度场数据，采用上述3种压力场重构算法，分别研究了图像噪声、速度场精度、插值算法以及边界条件的类型与精度对重构压力场的影响。最后针对管流突扩过程第20ms的流场，给出了3种重构算法下的压力场云图以及对应的CFD模拟结果。研究表明，有限容积法和直接积分法容易受到噪声的影响而产生剧烈震荡，但是可以在较大的速度场误差范围内保持较高的精度，通过采用双线性插值可以获得更高精度的重构压力场；Poisson方程法不易受到噪声的影响而产生震荡，同时在高精度PIV速度场下的优势较为突出，通过采用双三次差值可以获得更高精度的重构压力场；混合边界条件仅仅测定边界上有限个点的压力值，就获得了接近狄利克雷边界条件下重构压力场的精度，远高于诺依曼边界条件；边界条件的误差严重降低重构压力场的精度，其影响程度比速度场误差还要大。     

结合遗传算法和优化Q-law算法的小推力轨道转移

提出了一种将遗传算法和优化的Q-law算法相结合的新轨道转移算法.为了合理利用能源,文中引入相对推进效率作为是否施加推力的门限.遗传算法用于搜索最短时间的优化轨道转移路径,将轨迹优化问题转化成有约束的参数优化问题,从而避免了两点边值求解难题.在轨道转移末端,为了提高目标转移精度并避免高频振荡,文中采用了结合模糊逻辑的优化Q-law算法.针对某一卫星轨道转移进行了数字仿真.结果表明,本文算法能够在实现最优时间轨道转移的同时,兼顾能源的消耗,并提高轨道转移精度.     

多间隙润滑空载四连杆机构动力学分析

以空载四连杆机构为研究对象,分析间隙关节位置、数量及润滑对其动力学响应的影响问题。其中,考虑能量耗散的Lankarani-Nikravesh连续碰撞力模型被用来计算间隙关节处的法向碰撞力,摩擦力的计算采用改进的Coulomb摩擦力模型,而润滑力则采用Sommerfeld润滑条件下无限长轴颈-轴承的润滑力模型来计算。仿真结果表明不同位置处的关节间隙对动力学响应的影响不同,两个间隙关节对系统响应的影响比一个间隙关节大得多,而润滑关节能稳定系统的震荡,具有很好的缓冲作用。本文的研究更加真实地反映了机构的动力学特性,为机构设计及运动精度的分析提供了基础。     

无法复仇的爱情

碟《蓝色情人节》2010·美国导演:德里克·斯安弗朗斯主演:瑞恩·高斯林米歇尔·威廉姆斯故事简述:迪恩和辛迪是一对很平常的夫妻,他们生活的轨迹没有哪一个是和其他夫妻有很大区别的。反倒是他们的相遇会有比其他人更动人的一面,爱情本应该在这两个人之间结出更幸运的果实。但随着时间一年年的过去,他们之间的关系就像是一列脱轨的列车,从一个时间点开始,向失控飞奔。     

大机动无人机飞行轨道计算中两个问题的分析

本文讨论无人机作大机动飞行时,轨道计算中必须考虑的两个问题。 一个问题是按照大机动无人机的油箱结构,考虑燃料消耗和前后左右的波动所引起的无人机重心位置的变化。这个变化引起的作用在无人机上的力矩的变化对无人机进入和退出大机动时的飞行参数有明显的影响。另一个问题是da/dt的计算,文中推导了准确计算的公式,按此公式考虑无人机转动受下洗气流的影响,可以准确地计算出阻尼力矩的影响。 在轨道计算中计及这两个问题后,不仅可以计算出无人机在大机动飞行中高度和速度的波动,而且可以计算出滚转角的波动,这和实际飞行情况是比较接近的。     

超高速碰撞碎片云质量分布快速预测技术

在航天器防护构型设计中,快速预测空间碎片超高速碰撞防护屏产生碎片云的质量分布及其变化规律具有重要意义。本文初步探索了采用深度学习方法预测超高速碰撞碎片云的二维质量分布及其变化过程。训练数据来自约2000个弹丸（铝球）超高速正碰撞靶板（铝板）的光滑粒子流体动力学数值模拟结果,共考虑4个变量（弹丸速度范围3～8 km/s、弹丸半径范围2～8 mm、靶板厚度范围1～4 mm以及观测时间范围1～12 μs）。系统比较了反卷积模型和多层感知机两种模型的预测效果,重点考察了模型的外推能力（应用于训练参数范围之外）。研究结果表明:在训练参数范围内两种模型的预测精度都很高;反卷积模型能够捕捉到碎片云质量分布的颗粒特征,但外推能力较差;多层感知机模型将碎片云中的质量进行了局部均匀化处理,具有较强的外推能力;多层感知机模型通过学习1～12 μs的碎片云质量分布,能够以一定精度预测24 μs时刻的质量分布;反卷积模型的预测时间为毫秒量级,多层感知机模型的预测时间为秒量级。     

多学科设计优化的低自由度协同优化方法

为了解决协同优化(CO)方法计算量过大的问题,提出了低自由度协同优化方法(Low degree-of-freedom collaborative optimization,LDFCO)。LDFCO的系统级优化通过调整共享设计变量和辅助设计变量,使系统目标最优,且满足一致性约束条件。子系统优化通过调整局部设计变量,使子系统目标最优,并满足局部约束条件。子系统目标有两种形式:最小化本子系统的一致性约束函数和直接与系统目标有关的状态变量的加权和,或最小化一种不同于前者的一致性约束函数。通过3个算例检验了LDFCO的效率,结果表明LDFCO方法的计算量比CO方法大大减少。     

基于多点优化法进行可靠性数据折算

为了将非成败型试验数据折算为成败型数据,在分析现有方法局限性的基础上提出多点优化法。该方法于原始置信分布上选取多个折算控制点,并取这些位置点上的误差平方和作为目标函数,进而利用优化算法求解获得折算后的成败型数据和置信分布。该方法没有现有方法的局限性,是一种普遍适用的折算方法。算例表明,该方法较其他现有方法,如二阶矩法,点估计下限法,两点法以及近似优化两点法等,在应用范围、折算精度和计算量方面具有明显的优势,是一种简单而行之有效的折算方法。     

一种新的可重构三自由度平面并联机构的结构设计及运动学分析

设计了一种新型的可变胞运动副,可用于实现3-转动副转动副转动副（Revolute-joint,revolute-joint,revolute-joint,RRR）平面并联机构的重构,进而推导并验证了R-R-R和转动副移动副转动副（Revolute-joint,prismatic-joint,revolute-joint,R-P-R）两种模式下的运动学模型包括正解方程和逆解方程,可用于计算并联机构的奇异位形和工作空间。研究结果表明：所设计的可变胞运动副能够实现机构的重构功能;两种模式下的运动学正解算法一致,均为一元八次方程;R-R-R型的运动学逆解为三个一元二次方程,R-P-R型的运动学逆解可直接用两点间的距离公式表达。最后,通过虚拟样机实验,验证了运动学模型的正确性。     

具有远近视距引导的机械臂多工位精确对准技术

为提升机械臂系统对环境的感知能力,针对机械臂多工位精确对准问题,提出了一种具有远近视距引导的机械臂多工位对准技术。首先构造具有远近视距的两目视觉配置,并与机械臂构成Eye-in-hand视觉反馈系统。然后标定两目视觉的内外参数和手眼关系变换矩阵。通过离线先验局部对准方式,建立各工位的任务表。提出了三阶段对准策略,即多工位作业起始位姿获取、全局相机的初定位和局域相机的精对准,使得机械臂能在多个工位下实现末端工具与目标的精确对准。通过多位置孔轴对准实验验证了本文方法的可行性。单个孔位重复对准标准差角度不超过0.015°,位置不超过0.078 mm,三阶段对准实验结果表明,角度误差小于0.05°,位置误差小于0.17 mm。     

基于Voronoi cell的RNN_k近似查询与计算(英文)

在空间数据索引与查询研究领域中,反向k最近邻(RNNk)问题作为反向最近邻问题的泛化扩展近来受到更多关注.所谓RNNk查询就是找到所有以给定查询点为k个最近邻之一的对象点.为了有效地进行RNNk查询,利用分级的Voronoi cell和空间区域划分方法对查询结果进行有效过滤,避免了过多次最近邻查找计算.在初步得到的RNNk结果中,有针对性地分别利用平行于分割线的扫描线和局部扩展的查询区域Q进一步限定了RNN候选点.近似最小平均距离(AMAD)计算则可由近似的RNNk查询结果得到且不受k取值限制.实验结果表明了在3种不同数据分布情况下,本文算法与近似方法的效率和有效性.因此,通过充分利用对数据的过滤与查询空间修剪的近似方法,得到了具有较高查全率和准确率的近似查询和计算.     

大口径反射镜背部支撑结构的响应面优化方法

惯性约束聚变(ICF)装置中大口径反射镜在自重作用下的畸变常常导致其面形精度降低,从而降低整个激光装置的打靶精度。为了满足反射镜面形精度要求,以反射镜通光表面面形峰谷值(PV值)为优化目标,以支撑点位置为设计变量,对两种反射镜背部支撑方式进行优化研究。通过对试验设计方法、常用响应面类型和优化算法的分析,综合考虑优化效率与精度,最终选取Kriging响应面结合遗传算法开展优化工作。为提高优化效率,提出了两步优化策略。首先建立基于全设计范围的粗精度响应面模型,得到表示设计变量与目标量关系的曲面与初步优化结果。然后基于初步优化结果,缩小设计范围建立高精度响应面模型,进一步优化支撑点位置以得到最佳支撑形式。结果表明响应面优化的最优解与该点处的有限元计算结果非常接近,与在有限元模型上直接优化结果的误差在可接受范围内,但计算效率得到了很大提升。