空间绳系机器人超近距视觉伺服控制方法

针对空间绳系机器人超近距视觉伺服中相对位姿无法测量的问题,在建立机器人视觉系统非线性量测模型的基础上,提出一种基于直线跟踪的混合视觉伺服控制方法,利用帆板支架边缘线图像特征跟踪相对位姿,利用基座具有较大误差的量测信息保证控制系统的稳定性。仿真试验结果表明：在仅能获得帆板支架边缘线图像信息的情况下,设计的超近距逼近控制方法能够保证空间绳系机器人稳定到达目标卫星的帆板支架处,并满足捕获条件。     

机器人组装超大型结构的姿-轨-柔耦合动力学仿真

机器人空间组装是建造超大型航天器的重要方式。当前针对空间组装的研究大多集中于小型结构,没有考虑万有引力梯度和姿-轨-柔耦合效应的影响。本文针对主结构-空间机器人-待组装结构组成的系统,建立姿-轨-柔耦合动力学模型,研究万有引力梯度和姿-轨-柔耦合效应对组装过程的影响。首先,将空间机器人看作刚体,将主结构和待组装结构看作柔性体,分别采用自然坐标法和绝对节点坐标法进行运动学描述;然后,考虑刚体和柔性体的动能、万有引力势能和弹性势能推导系统的Hamilton方程,计入万有引力和万有引力梯度的影响;最后,通过轨迹规划和轨迹跟踪控制实现空间机器人空间组装超大型结构的姿-轨-柔耦合动力学仿真,给出组装过程中系统的轨道运动、姿态运动、空间机器人关节空间和笛卡尔空间、结构振动等动力学响应。研究发现:万有引力梯度和姿-轨-柔耦合效应对空间机器人的控制力矩和组装精度产生显著影响,在组装方案设计和控制系统设计中必须予以考虑。     

空间非合作目标燃料最优终端接近策略研究

针对一类姿轨控制系统失效的目标航天器实施空间救援等在轨服务任务。要求追踪航 天器跟踪到达指定目标点,对目标航天器进行在轨捕获,建立了目标航天器在空间自由翻滚 情况下追踪航天器跟踪目标点的动力学模型,并建立了安全无碰撞的燃料最优终端接近模型 。数学仿真表明,当初始条件合适时,燃料最优终端接近轨迹自然满足安全性要求。
     

绳系卫星被动释放无超调脉宽脉频调制控制

针对空间绳系卫星释放过程中无超调释放和正向速度约束问题,提出一种新的离散控制绳系无超调释放的方法。该方法基于绳系卫星系统动力学模型建立离散控制的动力学模型,通过反馈线性化和反步法设计出理想的释放轨迹。提出一种基于输入受限的离散控制算法,并运用该算法进行了理想释放轨迹跟踪仿真试验。结果表明,该离散控制方法可以实现绳系无超调释放,并保持释放速度始终非负。仿真结果验证了输入受限离散控制方法在空间绳系卫星释放过程中的有效性,为空间绳系卫星释放系统设计提供了参考。     

微纳卫星与非合作翻滚目标对接的模型预测控制

针对多约束下微纳卫星与非合作翻滚目标对接过程中的位置跟踪与姿态同步问题，设计了基于模型预测控制(MPC)的对接控制器。首先，考虑动力学耦合问题，建立了六自由度姿轨耦合相对动力学模型。然后，充分考虑了可能存在的实际工程约束，包括输入饱和约束、移动过程中的速度约束、追踪星光学设备视场约束、安全接近走廊约束等，设计了基于MPC的对接控制器，确保精确完成对接操作的同时尽量减少推进剂消耗以获得最优接近轨迹。最后，仿真结果说明了本文所提出控制策略的有效性和鲁棒性，所设计控制器可以在满足多种约束的基础上，实现微纳卫星对非合作翻滚目标的对接，并对干扰具有鲁棒性。     

空间自旋目标混合EFIR/DFT运动轨迹预测算法

针对自旋目标运动轨迹的跟踪与预测中鲁棒性与时效性问题,本文提出一种在视觉测量目标位姿的基础上,通过混合扩展有限冲击响应(EFIR)/离散傅立叶变换(DFT)估计目标状态与特征参数,进而预测目标轨迹的方法。在视觉相机对目标特征点位姿测量的基础上,将运动过程分解为平动与转动,时域与频域同步估计目标的状态与动力学参数,采用DFT估计与平动相关参量,采用EFIR估计与转动相关参量,根据空间漂浮目标动力学方程,实现在过程噪声与量测噪声未知的复杂条件下对目标轨迹的长期准确预测,并通过地面机器人模拟试验对预测方法的正确性和有效性开展验证。结果表明:利用本文提出的方法实现了对空间自旋目标运动轨迹的准确预测;与传统基于扩展卡尔曼滤波的预测方法相比,在过程噪声、量测噪声未知的条件下,文中提出的方法有效缩短了参数收敛时间,提高了参数估计与轨迹预测精度。     

自主机动空间绳网机器人设计与动力学建模

设计了一种新型“平台+绳系+柔性网+自主机动单元”结构的空间机器人系统,较强的机动能力和较大的任务范围使其在空间垃圾清理任务中具有显著的优势。详细描述了自主机动空间绳网机器人的概念、任务过程和特点。为了分析自主机动空间绳网机器人逼近目标过程开始时柔性网网型的变化趋势,采用质量集中法建立了逼近过程的动力学模型,模型中将柔性网离散化为无质量弹性杆和质点的集合,同时考虑了自主控制力的作用。在不同条件下对逼近过程中的网型变化进行了数字仿真,仿真结果表明：逼近过程开始时,自主机动单元无控状态下柔性网将产生收口运动,且收口运动的强弱与自主机动单元和柔性网的初速有关;逼近轨迹也将偏离目标方向。通过自主机动单元的自主控制力能够避免收口运动和逼近方向偏移的产生。     

冗余空间机械臂抓捕自旋卫星后的消旋控制

旨在提出一种运动学冗余空间机器人抓捕自旋卫星后的消旋策略和协调控制方法。首先，给出运动学冗余空间机器人捕获目标后的动力学模型，作为协调控制器设计基础。然后，基于四阶Bézier曲线和满足特定约束的自适应微分进化(Differential Evolution, DE)算法提出抓捕后的最优消旋与路径规划策略，最优消旋策略中同时考虑对消旋时间和控制力矩进行优化。提出一种跟踪所设计参考轨迹的协调控制方法，调整基座的姿态达到期望值。所提方法有效地衰减了自旋卫星的初始角速度，同时实现对基座姿态的控制。文末给出利用7 DOF冗余空间机械臂消除目标自旋运动的仿真结果，表明所提方法的有效性。     

对失控翻滚目标逼近的神经网络自适应滑模控制

针对失控航天器在空间中自由翻滚的情况，研究追踪器对失控翻滚目标逼近的位置和姿态六自由度耦合控制问题。建立追踪器与目标器相对运动的姿轨一体化动力学模型，设计追踪器逼近过程的标称轨迹和标称姿态。综合考虑系统不确定性和外部干扰，设计无抖振的神经网络自适应滑模控制器。将滑模控制与神经网络逼近相结合，采用径向基函数(RBF)神经网络对系统未知部分进行自适应逼近。由Lyapunov方法导出神经网络自适应律，通过自适应权重的调节保证整个闭环系统的稳定性。数值模拟实例说明了所设计的标称轨迹和标称姿态的合理性，同时验证了神经网络自适应滑模控制器的有效性。     

基于卡尔曼滤波的成像旋转弹跟踪系统设计

针对采用捷联稳定方案的旋转弹,为实现用数字计算方法提取比例导引所需的弹目惯性视线角速率信号,对一种基于卡尔曼滤波的成像旋转弹跟踪系统设计进行了研究。将目标的随机加速机动视作修正的瑞利-马尔科夫过程,与视线运动方程联立,建立了机动目标跟踪系统数学模型。由稳定平台的惯性测量元件实现对弹体姿态角的计算,另通过大视场捕获目标,获取目标相对光轴的误差角,综合两者可得目标相对惯性空间的视线角,对视线角进行数字微分获得视线角速度。其中,为避免放大测量噪声,采用自适应卡尔曼滤波法估计视线角速度。闭环仿真结果表明:与低通滤波算法相比,自适应卡尔曼滤波算法的精度高,对测量噪声抑制好,可获得比例导引所需的惯性视线角速率和跟踪角误差的滤波值,从而实现高精度控制。     

带末端攻击角约束连续有限时间稳定制导律

针对制导武器末端攻击角约束与末端弹道尽可能平直的要求,应用有限时间控制方法,设计了具有末端攻击角约束的连续有限时间稳定制导律,使闭环制导系统在有限时间内视线角速度收敛到零和视线角收敛到期望值。通过非线性控制系统的有限时间稳定齐次性理论对该制导律进行了分析,证明了闭环制导系统的视线角速度和视线角全局有限时间稳定特性,并基于有限时间Lyapunov稳定性理论给出了闭环制导系统有限停息时间的表达式。在实例应用仿真中,比较了该制导律与最优制导律的制导性能,检验了该制导律在不同作战任务下的制导效果。仿真结果证实了该制导律的有效性和鲁棒性。     

在轨服务中空间系绳的应用及发展

针对空间系绳在空间在轨服务中的应用与发展问题，在简述空间系绳传统应用及试验情况的基础上，综述了空间绳系机器人、空间绳网机器人两类新在轨应用方式的研究和发展，主要包括动力学建模、结构设计、相对状态测量、逼近/抓捕控制、拖曳变轨等。最后进一步讨论了空间系绳未来的研究方向。     

应对机动目标的全捷联导弹制导控制一体化设计

针对全捷联导引头探测器与弹体固连带来的视线(LOS)测量与弹体姿态的耦合问题，基于干扰观测器和动态面控制提出一种考虑全捷联视线角(FOV)约束的制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立起具有严格状态反馈形式的全捷联制导控制一体化设计模型；其次，针对目标机动和气动扰动带来的模型不确定，设计了一种非线性干扰观测器对其进行在线估计，并将其估计信息的平方引入设计过程；第三，针对全捷联模式下有限视场角凸显的状态约束问题，基于积分型障碍Lyapunov函数与动态面控制设计了一体化制导控制规律，并对闭环系统的稳定性和信号的一致有界特性进行了证明。仿真结果表明,在目标进行不同类型机动和气动扰动存在的条件下，所设计方法均能保证制导精度以及视场角满足约束条件。     

高轨非合作目标多视线分布式相对导航方法

针对仅采用单视线难于实现高轨非合作目标的远距离自主相对导航问题,提出基于双空间机器人的多视线分布式相对导航方法。首先,建立基于多视线测量的相对导航模型,并给出空间机器人与非合作目标的相对动力学模型;然后,为降低集中式滤波相对导航的维数,设计分布式滤波的相对导航方法,采用扩展卡尔曼滤波算法实现相对运动估计;最后,建立数学仿真模型,对多视线分布式滤波相对导航算法及可观测性进行仿真校验,仿真结果表明该方法是稳定有效的。     

高超声速滑翔飞行器引入段弹道优化

高超声速飞行器弹道优化设计的目的足得到高超声速飞行的控制指令，从而得到方案弹道，针对其数学模型，寻找一个作为输入的攻角规律使得弹道最优。我们将此弹道问题转化成最优控制问题，通过极大值原理得到最优弹道的一阶必要条件。我们采用遗传算法求解了此两点边值问题。首先从次优化弹道得到攻角的变化规律，然后由从次优化弹道估计出的攻角范围推导出初始伴随变量的变化范围，再用遗传算法在此范崮内优化初始伴随变量得到了伞局最优弹道和相应的初始伴随变量。通过一个实例求得了满足热流约束的最大终端速度弹道，通过比较可知优于次优化弹道，从数值计算例子还可以看到遗传算法是求解两点边值问题的一种比较好的方法。     

SGKW轨道在线生成技术研究

天基对地打击动能武器(SGKW)用于从太空对地面高价值战略目标进行快速、准确的打击.针对作战实时性要求,探讨了SGKW的轨道在线生成技术.首先,利用庞特里亚金极大值原理将时间最短打击轨道的最优控制问题转化为两点边值问题.由于约束条件中存在优化参数,一种基于"遗传算法+序列二次规划"的组合优化算法被用于求解伴随变量初值和再入点参数.为了提高轨道生成的速度,在大量离线优化数据的基础上建立了BP神经网络预测模型,其预测值通过序列二次规划算法稍加修正,即可满足相应任务的落点精度要求.仿真结果验证了上述方案的有效性.     

有向拓扑下无径向速度测量的多导弹协同制导

针对多枚导弹在平面内从各自期望的方向同时击中移动目标问题，提出一种有向通信拓扑下无需导弹-目标径向速度测量且带视线角约束的分布式有限时间协同制导律。基于平面内导弹-目标相对运动方程建立带视线角约束的多导弹协同制导模型。基于二阶多智能体协同控制理论设计了视线方向上的制导律，可保证有向拓扑下多导弹的打击时刻在有限时间内达到一致。基于齐次系统稳定性理论和积分滑模控制理论设计了视线法向方向上的制导律，可保证多导弹击中移动目标且视线角在有限时间内收敛到期望值。仿真校验所设计的协同制导律在理想条件下可使有向拓扑下的多导弹从各自的期望方向同时击中移动目标。     

RBCC可重复使用运载器上升段轨迹优化设计

针对火箭基组合动力(RBCC)可重复使用运载器(RLV)轨迹多段、多控制变量、推力与飞行轨迹耦合,飞行轨迹设计困难的问题,提出了基于高斯伪光谱方法的数值优化求解模型和求解方法,并获得满足要求的上升段燃料最省轨迹。将该轨迹分为3部分,分别由引射火箭、亚燃冲压和超燃冲压发动机提供动力,以攻角和燃料秒流量为控制变量,根据轨迹任务和各模态发动机启动及工作条件建立优化模型、设定各段末端和路径约束,利用高斯伪谱法求解最优轨迹并利用特殊方法计算边界控制变量。通过与传统方法所得轨迹的对比表明,所建立的优化模型和方法可快速求解出RBCC运载器上升段最优轨迹,优化结果符合RBCC运载器工作特点。