空间探测自组装群体模块化机器人

针对地外星球表面地形多变,探测机器人处于复杂的非结构化环境中,提出了一种结合自重构和群体机器人特点的自组装群体模块化机器人（Sambot）。每一个模块都能自主移动,同时通过对接机构可与多个其他模块连接在一起,形成具有更强运动能力的集合体机器人。介绍了Sambot的总体设计（包括机械结构和控制系统）,分析了Sambot通...     

面向卫星电源系统的一种新颖异常检测方法

面向卫星电源高维周期性时序遥测数据，提出了一种新颖的代表性特征自编码器（RFAE）模型，并用于无监督的异常检测。RFAE采用改进的堆叠自编码器损失函数和训练算法，从而使模型可以学习到相位相同样本的代表性特征；然后根据代表性特征重构样本，根据重构误差来判断样本是否异常。在试验部分首先通过模拟数据校验了RFAE算法能够有效地检测出高维周期性时序数据的异常，然后又采用某卫星电源系统2014年1~12月真实遥测数据进行试验，RFAE异常检测准确率达到99%，检测效果明显优于目前的其他异常检测算法，具有较高应用价值。     

空间细胞机器人系统关键技术及其应用

针对传统空间操控装置难以适应未来大型空间设施在轨建设的问题，提出一种能够实现多层次自重构的空间细胞机器人系统，并对其概念体系以及设计理念进行了分析。介绍了空间三角桁架装配场景下的空间细胞机器人系统硬件设计。提出了空间细胞机器人系统关键技术，包括多智能体协同不确定行为规划、多层次机器人系统构型决策、多智能体协同无环境地图自主导航以及多智能体分层协同分布式控制等。最后结合空间细胞机器人系统的特点与优势，对其应用前景进行了展望。     

空间机器人一体化仿真系统的研究与实现

为对空间机器人关键算法进行验证和评估,开发了一套一体化仿真系统。该系统基于模块化设计思想,由遥测遥控接口、轨迹规划与控制、系统动力学模型、系统3D几何模型、相机成像模型、图像处理与位姿测量、碰撞检测与安全预警等模块组成。其中,3D实体模型及仿真场景由OSG(Open Scene Graph)建立,各关键模块的算法采用C语言编程实现,可对空间机器人执行在轨任务的关键算法进行闭环验证。最后对两种典型工况进行了仿真实验,结果表明了该系统的有效性。     

双臂空间机器人利用内部地部运动的姿态控制

本文对双臂自由漂浮空间机器人系统的姿态控制问题进行了研究，推导出了系统的运动学模型，证明了系统具有非完整的力学结构，并且提出了一种利用内部运动的机器人本体姿态控制算法。该算法可使机器人本体的姿态在机械臂完成任务的过程中保持不变或变化最小，仿真结果验证了算法的有铲性。     

数字电路硬件演化研究?

针对数字组合逻辑电路电路故障修复问题，采用遗传算法与可重构器件FPGA相结合的方法设计自演化硬件系统。利用 Xilinx公司 XUPV5-110T FPGA开发板作为硬件平台，搭建虚拟重构电路，并利用软核处理器实现算法。系统进化单元为虚拟重构电路，由遗传算法自动控制生成具体功能电路。实验通过全加器和4位奇偶校验器，验证了硬件电路的自演化。     

基于观测器的漂浮基空间机器人模糊神经网络控制

针对自由漂浮状态的空间机器人模型不确定性及外部干扰,并考虑到通常其关节电机运行于低速工况下,测速机难以满足要求,提出了一种速度重构的空间机器人模糊基函数网络控制策略。首先建立空间机器人动力学模型,而后借助观测器来重构速度信息,利用模糊基函数网络的学习能力来同时逼近控制器和观测器中的非线性,动态抵消模型不确定性及系统偏差对速度重构的影响。网络的权值及参数的调整算法在线实时自适应调整,不需要离线学习阶段。仿真结果表明该控制策略能够达到较高的控制精度,对于通常工作在低速工况下的空间机器人具有重要工程应用价值。     

微纳聚合体卫星的对称式重构规划算法

为解决微纳聚合体卫星变构过程中，聚合体各部分之间的动力学耦合导致的卫星整体姿态翻转或紊乱，提出了一种对称式变构规划算法。首先建立了铰链约束下的漂浮基多刚体系统动力学模型，研究了重构过程中各运动模块对本体姿态的影响，提出当每两个运动模块位置与转动方向满足对称性条件时，两者对本体姿态的影响可在一定程度上相互抵消。基于上述理论，在A*算法中引入最优分配度量和对称性判定，设计了并行对称重构规划算法。仿真结果表明，该规划算法可实现重构过程中多模块并行、对称运动，重构过程总步数较少，运动模块对本体姿态的影响小。     

时变拓扑卫星集群分布式自主相对导航方法

针对时变拓扑卫星集群的相对导航需求，提出了基于图论的时变拓扑分布式一致性无迹卡尔曼滤波算法。首先给出了固定拓扑卫星集群的相对运动方程、测角测距测量模型和无迹卡尔曼滤波算法，然后考虑测角失效时相对导航系统不可观或弱可观的问题，结合矢量环一致性约束，构造了一致性无迹卡尔曼滤波算法，以提高系统的可观度；在此基础上，针对时变拓扑卫星集群，以滤波精度为优化指标，在图论的基础上利用Dijkstra算法对卫星集群的时变拓扑结构进行重构，并将重构后的拓扑结构应用于卫星集群相对导航。仿真结果表明所提算法能有效改善不完备测量带来的模糊轨道问题，并且能够实现实时的拓扑重构，以满足时变拓扑星群的相对导航精度要求。     

双臂空间机器人利用内部运动的姿态控制

本文对双臂自由漂浮空间机器人系统的姿态控制问题进行了研究 ,推导出了系统的运动学模型 ,证明了系统具有非完整的力学结构 ,并且提出了一种利用内部运动的机器人本体姿态控制算法。该算法可使机器人本体的姿态在机械臂完成任务的过程中保持不变或变化最小 ,仿真结果验证了算法的有效性。     

基于深度学习的空间站舱内服务机器人视觉跟踪

为提升舱内跟随服务机器人的任务辅助能力,解决机器人对航天员的视觉跟踪问题,提出了一种基于深度学习和概率模型的人体视觉跟踪算法。利用深度卷积神经网络实现了对穿着多样、姿态任意人体的稳定检测。结合人体检测结果,设计了运动预测概率模型,实现了对指定人员准确、连续的跟踪。算法对包含大多数航天员活动的多个数据集进行了验证。实验结果表明:提出的跟踪算法实现了对穿着多样、姿态任意人体的稳定跟踪,并有效避免了由于穿着相似、遮挡可能造成的误跟踪问题。该算法为空间站舱内跟随服务机器人对航天员的视觉跟踪提供了有效的解决方法。算法基于融合的RGB-D图像,工程上易于构建和实现,也可拓展到其他跟随服务机器人视觉跟踪任务中。     

时间代价启发式多月基装备协同任务规划方法

针对月球科研站构建中优化整体任务用时的需求,提出时间代价启发式多月基装备协同任务规划方法。面向月球科研站构建过程中的原位和路径任务,构建双类型任务关系图,并提出多位置转移时间代价启发式策略引导此图的搜索方向,使规划器沿局部最短耗时任务路径逐个处理任务,降低装备路径转移的时间代价;提出时间代价启发式装备选择策略,从而均衡月基装备任务负载,缩短装备工作时长。最后,以包含资源开采、物料运输、设施建设等任务的月球科研站构建场景为例,对规划算法进行仿真验证。结果表明,此算法能够生成满足复杂约束的多装备协同规划序列。与传统规划方法相比,本文方法得到的月基装备任务序列冗余路径少、任务用时短,可实现多装备在多任务中的高效分时复用。     

硬实时系统中自适应反馈软件容错动态调度算法研究

在飞行控制等硬实时系统中由于任务超时完成将会给系统运行带来灾难性后果,而现有软件容错调度算法在处理机利用率较高时,成功执行主任务所占时间比率下降,针对此提出自适应反馈容错动态调度算法,此算法在经典软件容错调度算法BCE(Basic CAT EIT)的基础上,引入反馈调度机制,形成Feedback BCE调度算法。该算法在运行过程中定期监测处理机利用率,将实际处理机利用率与预期值进行比较,根据比较结果调整对任务集的调度。实验表明,相对于其他同类算法,自适应反馈软件容错调度算法有效降低了浪费的CPU时间片数量,提高了成功执行主任务所占时间比率,有效降低了因处理机超载而引起的主任务丢失率。
     

欠驱动冗余度机器人运动优化控制

研究了具有多个被动关节的欠驱动冗余机器人的运动优化控制问题。基于滑模变结构控制方法，首先实现了被动关节位置控制；进一步利用“虚拟模型引导控制”方法实现了欠驱动冗余度机器人的连续轨迹运动优化控制；通过平面三连杆机器人臂进行了避障运动仿真，仿真结果证明了提出的方法的有效性。     

自由漂浮空间机器人多约束混合整数预测控制

针对空间机器人完成任务时需要躲避障碍物的问题,提出一种自由漂浮空间机器人的混合整数预测控制方法。首先,在模型预测控制方法框架下,机械臂关节的物理限制,躲避障碍物的要求被统一描述为最优控制问题下的不等式约束,可以得到自由漂浮空间机器人具有线性二次规划形式的最优控制律。其次,基于命题逻辑建立控制问题中各约束的优先级,保证在最大程度地满足约束的情形下得到控制问题的解,有效弥补了模型预测控制方法用于空间机器人控制时,多约束可能导致最优控制问题不可行的不足。最后,仿真结果校验了所设计控制律的有效性。     

A near-optimal control approach to 3D ball-in-socket joint space robot models with initial angular momenta

Control of space robots in the 3D space is known as one of the difficult problems in nonlinear control theory, and if there exist initial angular momenta for space robots, the control problem becomes an increasing challenge. However, it is quite important to take into account the existence of initial angular momenta from the aspect of realistic situations. This paper deals with a control problem for a 3D space robot of two rigid bodies with an initial angular momentum. First, we give a model of a space robot with an initial angular momentum, called the ball-in-socket joint model. We next propose a near-optimal control method for general nonlinear affine control systems based on the finite dimensional orthonormal basis and give some theoretical analysis for the method. Moreover, a near-optimal control algorithm is also shown. Then, we apply the near-optimal control algorithm to a 3D attitude control problem of the ball-in-socket joint model with an initial angular momentum, and illustrate numerical simulations in order to show the effectiveness of our method.     

多个自由飞行空间机器人协调操作运动规划

本文提出了在空间微重力环境下多个自由飞行空间机器人协调操作运动规划算法，首先推导出多个自由飞行空间机器人协调操作的广义雅可比矩阵，其次给出了基于该矩阵的多个自由飞行空间机器人协调操作分解运动速度控制算法，最后用计算机仿真验证了该算法的正确性。     

空间机器人抓捕目标后动力学参数辨识研究

针对自由漂浮空间机器人抓捕目标后的动力学参数辨识问题,提出一种参数辨识的持续激励轨迹设计方法。首先,基于动量守恒原理建立了自由漂浮空间机器人的动力学参数辨识模型;然后,采用有限傅里叶级数对空间机器人的机械臂关节运动轨迹进行参数化表示,并以参数辨识回归矩阵条件数最小化为指标,通过求解一个包含多约束的非线性优化问题得到傅里叶级数的待定系数;最后,采用基于QR分解的递推最小二乘估计方法实现对采样数据的序贯处理,并求解出待辨识参数。仿真结果表明,提出的激励轨迹设计方法可以显著提高空间机器人参数辨识的收敛速度和准确性。     

Robots and humans: synergy in planetary exploration

How will humans and robots cooperate in future planetary exploration? Are humans and robots fundamentally separate modes of exploration, or can humans and robots work together to synergistically explore the solar system? It is proposed that humans and robots can work together in exploring the planets by use of telerobotic operation to expand the function and usefulness of human explorers, and to extend the range of human exploration to hostile environments.