模块化可重构无人机机翼结构优化方法研究

模块化可重构无人机设计工况复杂、约束多样，需要根据不同设计思想的特点研究适用的优化方法才能得到最优方案。本文开展针对多模型的同步优化方法研究，给出不同构型机翼翼根弯矩约束方法，提出多构型机翼结构前后梁弯矩比例约束下的同步优化技术，并以某模块化可重构无人机机翼为对象进行应用验证。结果表明：与文献中模块化机翼优化结果相比，本文多构型机翼结构同步优化方法在解决整机翼更换的模块化可重构机翼结构优化问题时具有很高的适用性和收敛性，以及广阔的工程推广价值。     

多链可重构模块化机器人的构型转换

可变形指尖陀螺是一种流行的玩具,其多链、可变形的优点为空间机器人提供了一种方案。以此玩具为启发,结合链型机器人灵活多变的特点,引入了多链可重构模块化机器人。以构型分析及构型转换策略为重点对多链可重构模块化机器人的拓扑构型展开研究,使其改变拓扑构型来适应不同任务。首先,结合整数拆分及排列组合,建立了适用于正六边形基座的模块化机器人基本非同构构型库,提出了一种非同构构型枚举算法,该算法表明非同构构型数随模块数的增加呈指数型增长;其次,以构型转换为核心,定义了基于结构特征的等价关系库,设计了一种构型匹配的重构策略来完成构型间的最优匹配与转换;最后,通过演示与仿真,验证了重构策略的有效性。     

基于协同进化粒子群和Pareto最优解的卫星编队队形重构方法

针对卫星编队自主队形重构问题,提出了基于协同进化粒子群优化(CPSO)和Pareto最优解的求解方法.首先,使用Legendre伪谱法(LPM)将队形重构问题离散化为非线性规划(NLP)问题;其次,根据卫星编队的特点及碰撞规避的需要,使用CPSO算法对重构问题采用既独立又集中的求解方式,避免了传统优化方法对梯度的求解;...     

一种基于三阶WENO重构的无网格算法研究

提出了基于三阶WENO重构的无网格算法,以期替代传统的无网格线性逼近重构,提高无网格算法的求解精度。基于无网格点云卫星点分布特征,通过沿点云中心点与卫星点连线方向引入局部一维坐标系,并结合虚拟点的设置,构成了在点云中实施三阶WENO重构所要求的模板。算法涉及的卫星点连线中点处的左右状态值,则利用模板上各点的流场值,采用WENO重构方法计算给出。对于模板中设置的虚拟点上的流场值,本文则利用已有的无网格点云信息,基于最近节点流场值插值得到。文中给出了采用上述WENO重构方法,结合Roe的近似Riemann求解器确定通量,并采用三阶TVD Runge-Kutta方法进行时间推进求解Euler方程的具体实施过程。对模型问题的典型流动进行了计算分析,通过比较数值解和精确解,验证了算法获得的数值解能逼近三阶精度。给出的激波管流动和超声速半圆柱绕流算例展示出所发展的算法捕捉激波等间断问题具有更高分辨率,能体现出WENO重构"基本无振荡"的特性。文中最后给出了非定常激波过弯道绕双圆柱流场的数值模拟算例,展示了所发展的算法处理含非定常激波演化的复杂流动问题的效果。     

基于算子理论的系统可重构性评价与自主重构

针对航天器在轨资源严重受限（包括计算资源、硬件资源以及能量资源）的特点，开展了基于算子理论的航天器姿态控制系统可重构性评价方法和自主重构策略的研究。首先，基于稳定核表示（SKR）和稳定像表示（SIR）的算子理论给出了系统可重构性评价指标，定量地描述了系统的重构能力，突破了基于互质分解理论的系统可重构性评价方法对系统线性性质的局限。同时，基于以上结果，给出了系统可重构性最大边界，为设计人员设计自主重构策略提供了明确的指标；然后，通过在设计阶段考虑系统可重构性，充分挖掘并利用系统重构潜力，为自主重构策略的设计提供理论指导；最后，通过仿真验证了所提方法的有效性和正确性。     

运载火箭动力故障下的自主救援轨道规划

针对运载火箭上升段出现动力下降故障的问题,提出了一种基于二阶锥规划方法的在线救援轨道规划策略与飞行轨迹重构算法。根据故障大小设置不同的终端条件,规划合适的救援轨道;同时为了方便求解,设计了新的控制量,然后采用逐次凸化、线性化和梯形离散等方法,将原始规划问题转化为序列迭代求解的二阶锥规划问题。仿真结果表明,所提策略及算法能够满足动力系统故障后的在线救援轨道规划和飞行轨迹重构需求。     

卫星编队队形重构避碰技术研究

提出了一种新的考虑避碰约束的编队队形重构路径规划方法.首先通过常规编队重构规划方法得出各星的机动策略,以此预测重构过程中各星最小距离,将此最小距离大于安全距离作为约束条件,重新规划出队形重构轨迹.仿真结果表明,该方法计算量小,能够快速地规划出考虑避碰约束时的队形重构卫星机动轨迹,且能有效节省能量消耗.     

可重构的卫星/运载复用电子系统设计

采用小型运载器能够降低卫星发射成本,针对小型运载器运载能力有限的情况,通过卫星与运载电子系统特点分析,提出可重构的卫星/运载复用电子系统设计方案。该方案采用基于总线的混合结构,并将可重构计算技术应用于中心计算机的设计,利用片上可编程系统（SOPC）、软硬件协同设计以及硬件描述语言（HDL）设计等技术完成系统功能。通过对现场可编程门阵列（FPGA）的重构,星载计算机实现对运载器与卫星的控制与管理,并能够进行故障处理及在轨升级。构建地面实时仿真系统并进行仿真测试,得到重构时间在（500±40）ms范围内、〖JP〗控制周期可达10 ms的仿真结果,验证了本文所提出方案的可行性与系统重构的有效性。通过硬件的分时复用,复用电子系统能够有效降低发射成本,并解决系统资源、多功能与高性能需求之间的矛盾。     

集群无人机队形重构及虚拟仿真验证

队形重构是集群无人机（UAV）控制的重要问题，指无人机按照要求安全、无碰撞地从一个队形变换到另一个队形，其难点在于快速规划最优安全轨迹并控制无人机进行轨迹姿态的高精度跟踪。针对集群无人机队形重构的上述问题，首先，基于CAPT（Concurrent Assignment and Planning of Trajectories）算法，解决了多无人机的目标分配和轨迹生成的实时性问题，实现了集群无人机的最优安全路径规划；其次，提出一种有限时间多变量积分滑模连续控制算法，解决了无人机轨迹姿态的高精度跟踪问题，并通过MATLAB仿真验证了该控制算法的有效性；最后，为了更加真实直观地演示无人机三维仿真效果，建立了基于Gazebo-ROS的无人机仿真平台，实现了12架四旋翼无人机队形重构"建模-仿真-可视化"的一体化仿真演示，验证了上述路径规划算法和轨迹姿态控制算法的有效性。     

航天器上升段轨道快速重构算法

针对航天器上升飞行过程中由于干扰的影响导致实际轨道偏离初始设计轨道的问题,提出了基于状态量提前修正的航天器上升段轨道快速重构算法。使用该算法对大气干扰下上升段轨道进行了快速重构仿真分析,结果表明,该算法能够综合考虑上升段飞行过程的状态量约束、终端约束、入轨精度、重构时间等因素,实现快速重构。     

A homogenization-planning-tracking method to solve cooperative autonomous motion control for heterogeneous carrier dispatch systems

Taxiing aircraft and towed aircraft with drawbar are two typical dispatch modes on the flight deck of aircraft carriers. In this paper, a novel hierarchical solution strategy, named as the Homogenization-Planning-Tracking (HPT) method, to solve cooperative autonomous motion control for heterogeneous carrier dispatch systems is developed. In the homogenization layer, any towed aircraft system involved in the sortie task is abstracted into a virtual taxiing aircraft. This layer transforms the heterogeneous systems into a homogeneous configuration. Then in the planning layer, a centralized optimal control problem is formulated for the homogeneous system. Compared with conducting the path planning directly with the original heterogeneous system, the homogenization layer contributes to reduce the dimension and nonlinearity of the formulated optimal control problem in the planning layer and consequently improves the robustness and efficiency of the solution process. Finally, in the tracking layer, a receding horizon controller is developed to track the reference trajectory obtained in the planning layer. To improve the tracking performance, multi-objective optimization techniques are implemented offline in advance to determine optimal weight parameters used in the tracking layer. Simulations demonstrate that smooth and collision-free cooperative trajectory can be generated efficiently in the planning phase. And robust trajectory tracking can be realized in the presence of external disturbances in the tracking phase. The developed HPT method provides a promising solution to the autonomous deck dispatch for unmanned carrier aircraft in the future.     

无人艇航行规则及运动学约束下的改进RRT轨迹规划方法

现有的RRT算法没有考虑无人艇的运动特性,难以解决无人艇轨迹规划问题,也没有基于无人艇航行规则来考虑无人艇的动态避碰。针对上述问题,在无人艇航行规则及运动学约束下,提出了改进的双层RRT动态轨迹规划方法。在第一层框架中,改进了探索点及步长选择策略,并结合国际海上避碰规则公约与最短会遇时间建立最优位置窗口来构造四向扩展随机树,从而可以在考虑海事规则的前提下快速搜索出联通路径。在第二层框架中,考虑到无人艇的运动学约束,将上一层的联通路径点作为分段启发点,然后结合速度运动模型来限制无人艇的拐角与转弯半径,并基于速度运动模型得到的弧长计算出每一个节点的代价值,最终在动态障碍物环境中得到一条可行平滑轨迹。仿真与实船实验均验证了该改进算法的有效性,实验表明该改进算法可以有效地解决传统RRT算法离障碍物过近、路径不平滑、不符合无人艇运动学与无人艇航行规则等问题。其中,轨迹转折数目为0,与障碍物最近距离是传统RRT算法的两倍以上,最大转折角度指标远好于传统RRT算法。     

基于循环追踪控制的卫星编队构形调整控制律设计

卫星编队控制问题中，分布式控制优于主从式控制，在编队控制中应用日益广泛。提出了一种基于循环追踪算法的分布式控制策略，分析了该方法的优势。由于循环追踪算法存在编队中心由初始几何中心固定并与运动过程无关的弱点，引进了虚拟灯塔导引进行联合控制实现编队中心可变。建立了三维空间相对运动数学模型，设计非线性循环追踪算法与虚拟灯塔导引联合控制律，对全员联合控制与单星联合控制其余卫星采用非线性循环追踪控制两种方案的计算结果进行比较。结果表明，全员联合控制律的控制方案优于仅单星采用联合控制的方案，两种方案均可实现卫星编队按指定构形运动。     

基于改进的粒子群优化算法的无人作战飞机航路规划

事先针对敌方防御区内的威胁部署和目标的分布情况,对无人作战飞机的飞行航路进行整体规划设计,可以综合减小被敌方发现和反击的可能性、降低耗油量,从而显著提高UCAV执行对地攻击(或侦察)任务的成功率.在对粒子群优化技术研究的基础上,将一种用于解决TSP的PSO算法加以改进,引入模拟退火的策略思想,借以克服PSO算法易陷局部最优的早熟现象,并在UCAV航路规划中加以运用.仿真实验表明,该算法简易而有效,用其优化出的航路能够满足UCAV飞行任务规划的需要.     

基于多智能体混合学习的多星协同动态任务规划算法(英文)

针对多星协同动态任务规划问题,以往多采用基于启发式的重规划算法,但是由于启发式策略依赖于具体任务,使得优化性受到影响。注意到协同规划的历史信息对后续协同规划的影响,本文提出了一种基于策略迭代的多智能体强化学习和迁移学习的混合学习算法求解该问题近似最优策略。本文的多智能体强化学习方法利用神经网络描述各颗卫星的强化学习策略,通过协同进化的方法迭代搜索具有最优拓扑结构和连接权重的策略神经网络个体。针对随机出现的观测任务请求导致历史学习策略失效,通过迁移学习将历史学习策略转换为当前初始策略,保证规划质量前提下加快多星协同任务规划速度。仿真实验及分析结果表明本文算法对动态随机出现的任务请求有良好的适应性。     

空间环境对超低轨道卫星轨迹规划的影响

针对超低轨道卫星受空间环境影响显著,对特定目标的轨迹规划难度大的问题,分析了经验大气模型中空间环境参数预报的预报误差以及空间环境参数预报对轨迹规划的影响.在目前空间环境参数预报的误差特性的基础上,建立了轨道控制量和空间环境参数双变量的轨迹评估规划的算法,通过轨迹规划评估后选取最优轨迹规划方案.该算法能够很好地适应空间环境参数的变化,降低空间环境参数预报误差带来的轨道控制风险.目前,该算法已在某超低轨道卫星的轨迹规划中得到成功应用,对需要考虑空间环境因素影响的较低轨道卫星的轨迹规划与控制具有一定的借鉴意义.     

一种基于信息一致性的卫星编队协同控制策略

提出一种基于信息一致性的分布式协同控制策略,实现了卫星编队的构型建立、保持与整体机动。首先根据编队各星的初始相对状态,应用一阶一致性算法,协商估计出编队整体系统基准参考点的相对状态;再根据编队整体系统模型预测方程,以凸优化方法规划出期望重构机动路径;之后设计了基于二阶一致性算法的反馈协同控制律,使各星彼此协同地跟踪期望路径与构型、整体机动参考信息,并证明了系统的稳定性。仿真结果表明:只要在基准参考点一致性估计过程中信息拓扑图中存在最大生成树,该策略就能实现卫星编队的协同机动;反馈协同控制律能有效消除相对初始状态误差与地球非球形摄动J2项引起的各星状态偏离,并具有较好的容错性;与传统方法相比,本文方法在燃料消耗总量与均衡性方面均有所改善,且在构型快速建立或重构时,燃料消耗总量方面优势较为明显。     

基于运动信息的视频图像空间目标检测

针对卫星拍摄的以深空为背景的视频图像中空间运动目标的检测问题进行了研究,提出了一种基于运动信息的目标检测算法。首先,通过均值滤波对图像进行降噪处理；然后,采用基于局部统计的可变阈值来分割单帧图像,使用灰度重心法计算像点坐标。当卫星凝视目标区域时,恒星可以认为是静止的,而目标依旧在运动,基于此,可检测出空间运动目标。基于某型卫星在轨拍摄的视频图像验证了算法的有效性。     

Influence of periodic wakes on the development of a boundary layer

The flow in turbomachinery is strongly influenced by the rotor-stator interactions. It is known that the unsteadiness of the flow has for effect to advance the laminar-turbulent transition and to alter the heat transfer. The problem of the wake-boundary layer interaction has been studied experimentally by using a simplified geometrical configuration. The stator blade is simulated by a flat plate on which the development of the boundary layer disturbed by periodic wakes is observed. The wakes are generated by moving bars having a circular section, put upstream of the flat plate and running with a constant velocity in the wind of a low-speed tunnel. Numerical studies relating to the phenomenon of interaction are limited. Part of the experimental study has been carried out in a fully turbulent flow in order to avoid the problem of transition. These results are compared with those from a code solving the fully turbulent unsteady boundary layer equations.