复杂动态环境下无人飞行器动态避障近似最优轨迹规划

针对复杂动态环境下无人飞行器的动态障碍规避问题，基于合理假设建立了无人飞行器和动态障碍的运动学模型，并综合考虑无人飞行器飞行过程中的终端约束、控制输入约束、安全避障约束等，以能量最少为性能指标构建动态避障问题数学描述。之后，针对终端约束和控制输入约束，依据优化模型预测静态规划算法(OMPSP)生成初始轨迹；针对动态避障问题的不等式约束，引入松弛变量并结合滑模变结构控制方法设计松弛变量动力学，实现对一个、多个或同时多个动态障碍的安全规避；最后，依据有限时间微分动态规划(RHDDP)算法进行轨迹优化，获得满足上述各种约束并能规避动态障碍的近似最优轨迹。     

航天器相对运动建模及周期性相对运动求解

面向航天器编队飞行的需求,对椭圆参考轨道航天器非线性周期相对运动条件进行研究,提出了确定椭圆参考轨道编队航天器非线性周期性相对运动条件的新方法。首先,考虑非线性、椭圆轨道等因素,通过哈密尔顿-雅可比(HJ)方程和正则摄动理论,推导了在任意非线性摄动下相对运动的模型和获得不需消耗任何燃料的周期性相对运动轨道的条件;然后,采用时域配点法,结合改进的列文伯格-马夸尔特(LM)法对周期性相对运动的初值进行求解;最后,设计数值仿真算例,利用上述条件,得到不消耗任何燃料的周期性绕飞轨道,由此验证了本文所提模型和方法的正确性。     

航天器避障交会有限时间滑模控制

针对航天器安全交会过程中的避障问题,提出一种基于有限时间滑模变结构控制与人工势函数相结合的控制方法。首先,对斥力势进行修正使得势函数在期望状态的值为零。其次,基于速度偏差和引力梯度设计滑模面,并考虑障碍物的速度设计控制律。利用Lyapunov稳定性定理分析证明在存在外部干扰情况下,系统能够在有限时间内收敛到期望状态并保持渐近稳定。最后,利用数值仿真来验证所设计的控制律的正确性和有效性。仿真结果表明,该方法能够有效实现规避动态障碍物,满足安全交会的要求。     

分布式航天器相对轨道确定方法

根据航天器相对运动的C-W-Hill方程建立的动态模型,以及基于无线电测量方案建立的相对距离观测模型,提出了一种用扩展卡尔曼滤波(EKF)确定分布式航天器相对轨道的方法。用STK、Matlab软件进行的仿真验证结果表明,该方法可确定分布式航天器相对位置和相对速度,所获解的精度较高。     

航天器反应式碎片规避动作规划方法

提出一种航天器反应式碎片规避动作规划方法，首先以扰动流体动态系统(IFDS)算法作为动作规划的基础算法，通过其中的总和扰动矩阵对航天器的轨道速度矢量进行修正，实现轨道机动规避；然后，建立基于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)深度强化学习算法的反应式动作规划方法，通过TD3在线优化IFDS规划参数，实现对碎片群的“状态-动作”最优、快速规避决策。在此基础上，将优先级经验回放和渐进式学习策略引入该方法中，提升训练效率。最后，仿真结果表明，所提方法可使航天器安全规避多发、突发、动态且形状各异的空间碎片群，且具有较好的实时性。     

一种基于EPSO的航天器交会轨迹优化方法

研究了航天器在固定时间内燃料最省的多脉冲交会问题,提出了一种基于种群熵粒子群优化 (Population Entropy based Particle Swarm Optimization,EPSO)算法的交会轨迹优化设计方法。采用线性化C\|W方程描述航天器的相对运动,以能耗最优为控制目标,得到了基于连续推力的最优转移轨迹,用于确定脉冲点的位置。考虑工程实用性,采用多脉冲控制方法,利用脉冲点的位置参数建立了以脉冲点时间间隔为决策变量的优化目标函数,并用EPSO算法进行求解。在EPSO中,种群熵描述粒子在搜索空间中位置分布的混乱程度,并通过上一代的种群熵确定下一代的搜索空间,从而减少搜索空间的浪费,提高了算法的搜索速度和收敛精度。仿真结果表明,算法本身具有良好的优化性能,适用于航天器轨迹优化。     

航天器四冲量固定时间最优交会

本文研究了航天器的四冲量固定时间最优交会问题及仿真，在两航天器相对运动线性化方程组和最优交会基本方程组基础上，利用特征矢量的对称性。求得了最优点火时间、最优推力和速度增量的计算方法，仿真结果表明，该方法是可行的。     

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。
     

天问一号探测器火星着陆自主避障技术设计与验证

针对天问一号探测器火星着陆过程多体运动及表面地形不确定性强的任务特点,提出了粗避障与伞-背罩组合体规避的协同控制策略以及激光三维配以双目立体视觉的精避障策略,介绍了障碍检测与规避系统的硬件配置、飞行过程、障碍检测与规避部分算法,并通过地面悬停避障专项试验验证了障碍检测与规避策略的有效性,可为后续火星采样返回任务和载人火...     

基于计算博弈的脉冲作用下航天器追逃策略

本文研究了地球高阶引力模型中,基于脉冲作用的航天器轨道追逃问题。针对该问题,将航天器轨道追逃问题定义为两选手计算博弈,其中以博弈双方的距离和燃料消耗设计了性能指标函数,并以速度增量大小和方向构建容许控制集。此外,为了保证纳什均衡解的求解效率,引入了快速搜索(ARS)算法,并设计了一种数据剪枝方法用于优化搜索空间,最终实现了基于计算博弈的控制策略的快速求解。仿真结果表明:该方法能够有效解决脉冲作用下航天器的追逃难题,与传统方法相比,该方法能同时满足脱靶量精度和燃料消耗要求,具有一定的可行性和有效性。     

解析求解非线性相对运动的最优重构问题

椭圆轨道相对运动模型的线性化导致其在大尺度相对运动应用中精度不能满足需求。针对任意椭圆轨道上的大尺度航天器编队最优重构问题,提出一种基于椭圆轨道非线性相对运动模型的近似解析求解方法。首先通过变分法建立了非线性最优重构问题的数学模型;然后采用摄动法,以偏近点角为积分变量求得了不含特殊积分的解析开环最优控制,有效地避免了真近点角域下最优控制解所含有的特殊积分。仿真验证了所求最优控制的有效性和优越性,结果表明在相对运动尺度较大时,相比基于椭圆轨道线性化模型的最优控制,在燃耗保持相近的情况下,所求非线性控制有效地降低了重构误差。     

基于激光测距的月球探测重载六足机器人自主避障控制

月面未知环境下具有高承载力的六足移动机器人是月球探测中不可或缺的装备。六足机器人虽然可以借助足地接触信息和姿态信息在不平坦路面行走，在遇到较小障碍物时可以做出适当的反射动作，但当遇到无法逾越的障碍物时，基于视觉信息实现腿式机器人避障运动是非常重要的。针对电驱动六边形对称分布的六足机器人，基于激光测距仪的信息实现了模拟月壤地面的地形建模，提出基于虚拟机体模型的自主避障策略，获得最优可行方向和运动最短距离，规划了实时避障的机体和足端运动轨迹。实验结果表明,六足机器人可以实时、准确地跟踪避障策略得到实时偏航角度，实现了机器人在未知环境下的自主避障运动，为月球探测重载足式机器人研究奠定了基础。     

空间交会动力学和安全模式

本文首先导出空间交会相对运动方程并给出其物理解释,然后给出动力学方程的解析解,并分析其动力学性质,最后导出不碰撞安全区和位置保持点的表达式。选择适当初始条件可以求出安全区和保持点。     

基于C-W方程的近程导引制导与控制方法

根据轨道动力学建立的航天器自主交会绝对运动与相对运动动力学方程,设计了基于C-W方程的近程导引段双脉冲和多脉冲制导与控制方案。采用闭环多脉冲制导,以控制精度和燃料消耗为指标,对双脉冲、等时间间隔多脉冲和闭环多脉冲制导进行比较。仿真结果表明:闭环6脉冲制导可用于近程导引段,有一定的工程应用价值。     

含板类柔性附件的充液航天器动力学研究

对含有板类柔性附件和曲壁轴对称充液储腔的复杂航天器系统进行动力学建模和耦合机理研究。首先，采用Kirchhoff-Love薄板理论对航天器的板类柔性附件进行研究，通过D’Alembert原理得到柔性附件的振动方程，运用模态假设法将混合方程转换为常微分方程。其次，通过推导充液航天器储腔内任意点的运动，得到储腔液体的牵连速度势函数，采用Gauss超几何级数得到液体相对速度势函数的解析形式，通过Hamilton变分原理推导液体晃动的运动方程，以及液体速度势函数模态系数的控制方程。最后采用准坐标Lagrange方程得到耦合航天器系统的状态方程，通过数值仿真校验系统动力学模型的有效性。研究结果表明，刚性平台、液体、柔性附件的相互耦合效应使得航天器系统存在复杂动力学行为，在复杂航天器系统动力学建模过程中需要充分考虑液体晃动和柔性附件振动的影响，柔性附件的安装位置对于耦合航天器系统的动力学行为也有着重要影响。     

分离模块异构航天器集群松散队形设计

针对近地轨道分离模块航天器集群,考虑航天器之间面质比差异,提出一种能在较长时间内维持两星之间相对距离的松散队形设计方法。该方法以相对偏心率向量和相对轨道倾角向量描述松散队形,以两颗卫星之间的轨道长半轴之差和相对相位角之差为优化变量,并且通过设置虚拟空间圆解决避碰问题,保证在考虑气动力摄动的情况下,异构航天器松散编队能够有较长时间满足距离要求。仿真研究表明,针对轨道高度为500 km的参考轨道,当两星面质比分别为0.003 m 2/kg和0.0032 m 2/kg时,两颗卫星之间的距离能够在50天内处于200 m到20 km之间。