一种改进阻尼倒数的空间机器人避奇异算法

针对自由漂浮空间机器人运动规划过程中存在的动力学奇异问题,提出一种动力学奇异转化加改进阻尼倒数的奇异回避算法。首先,通过运动学分解,间接求解机器人逆运动学方程,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,以实现奇异参数的分离;然后,采用改进的高斯分布阻尼因子的阻尼倒数代替奇异参数的普通倒数,回避运动学奇异的影响。与现有阻尼倒数方法相比,提高了算法在奇异点附近的连续性,进一步减小了算法带来的跟踪误差。在PUMA类型空间机器人模型上进行仿真试验,校验算法的有效性。     

一种二自由度球形五杆并联机构的运动学分析

应用螺旋理论分析一种二自由度球形五杆并联机构的运动螺旋及其反螺旋，在此基础上分析了其自由度。建立其位置正、反解方程，并进行验证。应用螺旋理论建立了其一阶影响系数矩阵。     

基于前馈神经网络的柔性连续臂建模与仿真

柔性连续臂的设计研究近年来取得重大进展,但其建模研究一直相对滞后.为此,文章对柔性连续臂进行运动学建模研究,提出使用临时姿态矩阵求解逆运动学的方法,解决了逆运动学不易收敛的问题;利用前馈神经网络对基于模态振型函数(MSF)的模型进行拟合,建立一种端到端的正运动学模型和逆运动学模型,在保证模型精度的同时,显著提高了其逆运...     

冗余SGCMG系统非奇异逆运动学闭环求解

为进一步简化单框架控制力矩陀螺（ＳＧＣＭＧ）系统逆运动学的求解，在借鉴国内外相关研究的基础上，将冗余机械臂逆运动学闭环求解方法引入到ＳＧＣＭＧ系统中来，并在闭环求解过程中，施加非奇异条件，即得到冗余ＳＧＣＭＧ系统非奇异逆运动学闭环解。这种方法不但可以得到逆运动学的非奇异解，且可通过选择适当的增益阵，控制算法的收敛速度。而且由于此种方法不用计算Ｊａｃｏｂｉ矩阵的伪逆，而是代之以Ｊａｃｏｂｉ阵的转置，大大简化了计算量，适于实时实现。对金字塔构形的４－ＳＧＣＭＧ系统的仿真结果表明，上述算法是可行的。     

协方差矩阵结构的广义杂波分组估计方法

针对球不变随机向量建模的相关复合高斯杂波背景下雷达目标自适应检测的协方差矩阵结构估计问题,将均匀杂波分组方法进行推广和改进,提出了杂波协方差矩阵结构的广义迭代杂波分组估计（GRCCE）方法。首先,在广义杂波分组背景下利用最大似然方法推导了协方差矩阵结构估计的迭代过程;其次,基于杂波分组思想,给出了广义杂波分组估计(GCCE),利用GCCE作为初始化估计矩阵进行迭代,得到协方差矩阵结构的GRCCE;最后,通过仿真对方法的有效性进行了检测,结果表明,GRCCE只需要一次迭代就能达到收敛,估计精度随着杂波一阶相关系数的增大而提高,而不受纹理分量参数变化的影响。与现有方法相比GRCCE适应杂波环境更广,估计精度更高,而且计算量更小。     

姿态运动的Rodrigues参数描述

详细介绍了刚体姿态运动的Rodrigues参数描述，指出了Rodrigues参数的许多新特性，定义了Rodrigues参数的乘法及相关的代数运算，给出了坐标变换的Rodrigues参数乘法描述，推导了Rodrigues参数描述的姿态运动学微分方程及逆运动方程，并给出了Rodrigues参数与其他常用姿态描述之间的转换公式。文中指出用Rodrigues参数描述姿态转动具有简洁、直观的优点，而且Rodrigues参数描述的微分方程结构简洁、无多余的约束，其计算效率优于当前广泛应用的四元数方法。文末介绍了Rodrigues参数在弹道导弹捷联姿态实时解算中的应用，基于Rodrigues参数的捷联姿态算法在计算精度、内存消耗上均优于目前弹上计算机使用的四元数递推算法，且计算量仅相当于后者的一半。     

矢阵及其在目标状态测量建模中的应用

本文通过对引入矢阵反对称叉积算子概念，得出了矢阵叉积算子同一般矢量列阵叉积算子之间的关系恒等式，揭示了两者之间的对称关系，由此关系非常方便地得到了矢阵运动学关系及其它一些常用关系，并把坐标变换阵对时间的导数推广到一般的情况，一个对目标雷达被动定位状态测量建模的实例表明了其实际应用意义。     

一种新型并联微动机器人运动学分析

提出了一种新型的少自由度微动并联机器人,利用螺旋理论对于微动并联机器人的自由度进行分析,得到机构正常运动时所需要的驱动个数。利用矢量方法得到微动并联机器人的运动学反解。基于雅可比矩阵的可逆性,研究了微动机器人的奇异问题,从而确定该微动并联机器人的输入和输出之间的关系。     

卫星姿态变结构控制病态时的一种控制方法

为解决用反馈线性化方法实现卫星姿态滑模变结构控制(VSC)中病态时确定逆矩阵方法的参数导致的控制精度与控制能量间的矛盾,提出将广义逆矩阵用于求解控制律,并给出了广义逆矩阵的求解方法。计算和比较结果显示,该法不仅控制精度高,而且能大幅节约控制能量。     

自由飞行空间机器人的运动学建模研究

空间机器人将在未来的空间项目中发挥重要的作用。但在空间环境中，由于缺乏一个固定的基座，机械臂的运动会对机器人本体的位置和姿态产生扰动，其运动学将变得很复杂。为建立自由飞行空间机器人的运动学模型，通常是将系统的动量表达为某个预先选定连杆的速度的函数，进而得到具有广义雅可比矩阵形式的运动学模型。这种方法的缺点是系统的动量无法以通用表达式描述，并且对如何最优选取连杆也缺乏必要的说明和讨论。本文对此进行了研究，得到了自由飞行空间机器人系统动量的通用表达式；通过选取相应的连杆，得到了具有广义雅可比矩阵形式的运动学模型；也分析和讨论了连杆优选问题。     

空间环境探测卫星用磁强计误差分析及在线标定

用于探测日地空间磁环境的磁强计多数安装在伸杆的末端,长期受太阳辐射等空间环境干扰力矩以及机动等影响,磁强计安装矩阵随时间发生较大的变化,从而导致卫星定姿精度下降。为此,在分析空间环境干扰力矩和磁强计定姿误差特性的基础上,建立了19维高精度的磁强计误差模型,结合卫星的运动学和姿态动力学特性,采用EKF滤波方法对安装矩阵进行实时估计与修正补偿,并利用该磁强计模型实现卫星的姿态确定,最后利用实验进行验证。实验结果表明,该方法能够在满足星载计算机的计算量要求的同时,在线估计安装矩阵误差,显著提高了磁强计的误差估计精度与定姿精度。     

一种面向临近空间高超声速再入滑翔目标跟踪算法

针对临近空间高超声速再入滑翔目标的跟踪问题，提出了一种基于回顾成本输入估计的无偏转换量测卡尔曼滤波(Retrospective cost input estimation-unbiased converted measurements Kalman filter, RCIE-UCMKF)。首先，根据再入滑翔目标的飞行特性，将加速度看成是未知的确定输入构建运动学跟踪模型；然后，对目标的非线性量测信息进行无偏转换，并将得到的噪声协方差矩阵进行解耦，降低算法的复杂度；最后，利用回顾成本的输入估计对未知加速度进行重构，采用递推最小二乘法更新输入估计器的参数矩阵，同时将估计的加速度引入到卡尔曼滤波框架下，实现对高超声速再入滑翔目标状态的准确估计。仿真结果表明了该算法的有效性和可行性。     

载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动学特性研究

针对载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人的运动学问题,引入具有非完整特性的载体 姿态无扰约束方程,推导了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵。采用等效 杆的概念,分析了普通状态的自由漂浮空间机器人和载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人可 达工作空间;基于载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵所得到的奇异方程, 研究了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人动力学奇异性。仿真结果验证了普通状态的自由 漂浮空间机器人与载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动学问题的差异性。研究结果为载 体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动规划及控制研究奠定了理论基础。
     

Inertia-independent generalized dynamic inversion feedback control of spacecraft attitude maneuvers

The generalized dynamic inversion control methodology is applied to the spacecraft attitude trajectory tracking problem. It is shown that the structure of the skew symmetric cross product matrix alleviates the need to include the inertia matrix in the control law. Accordingly, the proposed control law depends solely on attitude and angular velocity measurements, and it neither requires knowledge of the spacecraft's inertia parameters nor it works towards estimating these parameters. A linear time-varying attitude deviation dynamics in the multiplicative error quaternion is inverted for the control variables using the generalized inversion-based Greville formula. The resulting control law is composed of auxiliary and particular parts acting on two orthogonally complement subspaces of the three dimensional Euclidean space. The particular part drives the attitude variables to their desired trajectories. The auxiliary part is affine in a free null-control vector, and is designed by utilizing a semidefinite control Lyapunov function that exploits the geometric structure of the control law to provide closed loop stability. The generalized inversion singularity avoidance is made by augmenting the generalized inverse with an asymptotically stable fast mode that is driven by angular velocity error's norm from reference angular velocity. Asymptotic tracking is achieved for detumbling maneuvers as the stable augmented mode subdues singularity. If the steady state desired quaternion trajectories are time varying, then asymptotic tracking is lost in favor of close ultimately bounded tracking because the stable augmented mode continues to be excited during steady state phase of response. A rest-to-rest slew and a trajectory tracking maneuver examples are provided to illustrate the methodology.     

刚体姿态估计的类Rodrigues参数算法研究

针对Rodrigues参数描述刚体姿态运动时的缺陷,提出了一种类Rodrigues参数的姿态估计算法,从定义上避免了Rodrigues参数和修正Rodrigues参数在π-,-π,2π,-2π时的奇异。推导了类Rodrigues参数描述的姿态运动学微分方程,给出了坐标变换的类Rodrigues参数描述,讨论了类Rodr...     

带有引诱角色的有限时间协同制导方法

为实现高价值飞行器的有效突防，采用突防飞行器携带一枚防御器的协同突防方案，在突防器作为引诱角色的情况下，基于有限时间控制理论提出了一种带有拦截角约束的协同制导方法。基于飞行器相对运动学方程和一阶动力学特性，建立了带有拦截角约束的协同反拦截模型；用度量矩阵刻画系统有限时间输入输出动态品质，基于微分线性矩阵不等式给出了有限时间状态反馈控制器设计方法。数学仿真表明，该方法能够确保防御器在有限时间内以预置的拦截角有效拦截对方拦截器；在突防器进行引诱配合的情况下，协同突防方案能够大幅节省防御器需用加速度，验证了协同制导方法的有效性；同时，所提制导方法在不同拦截角度和初始发射条件下都能达到较好的控制效果，表现出较强的鲁棒性。     

Novel reaction control techniques for redundant space manipulators: Theory and simulated microgravity tests

This paper presents two novel redundancy resolution schemes aimed at locally minimizing the reaction torque transferred to the spacecraft during manipulator manoeuvres. The subject is of particular interest in space robotics because reduced reactions result in reduced energy consumption and longer operating life of the attitude control system. The first presented solution is based on a weighted Jacobian pseudoinverse and is derived by using Lagrangian multipliers. The weight matrix is defined by means of the inertia matrix which appears in the spacecraft reaction torque dynamics. The second one is based on a least squares formulation of the minimization problem. In this formulation the linearity of the forward kinematics and of the reaction torque dynamics equations with respect to the joint accelerations is used. A closed-form solution is derived for both the presented methods, and their equivalence is proven analytically. Moreover, the proposed solutions, which are suitable for real-time implementation, are extended in order to take into account the physical limits of the manipulator joints directly inside the solution algorithms. A software simulator has been developed in order to simulate the performance of the presented solutions for the selected test cases. The proposed solutions have then been experimentally tested using a 3D free-flying robot previously tested in an ESA parabolic flight campaign. In the test campaign the 3D robot has been converted in a 2D robot thanks to its modularity in order to perform planar tests, in which the microgravity environment can be simulated without time constraints. Air-bearings are used to sustain the links weight, and a dynamometer is used to measure the reaction torque. The experimental validation of the presented inverse kinematics solutions, with an insight on the effect of joint flexibility on their performance, has been carried out, and the experimental results confirmed the good performance of the proposed methods. In particular, two test cases have been analyzed in order to validate and evaluate the performance of both the unconstrained solution and the solution which takes into account the robot physical limits.     

自由飞行空间机器人通用运动学模型及其仿真

本文了一种新的通用运动学模型。这一模型和以前方法不同，用通用方法导出能求机器人任一部分速度的通用方程式，同时这种通用模型由于运动学方程式表达式简单，所以计算速度很快，从而为空间机器人实时控制提供条件。本文首先在通用运动学模型所需的基本概念基础上推导出通用的运动学模型方程式，其次对该运动模型给以分析，最后通过仿真实验方法证明了本文提出的通用运动学模型比以往的几种运动学模型计算速度快的结论。     

模型修正中一种特殊广义逆的性质与功能

本文对一种特殊的广义逆矩阵在模型修正中使用时可能具有的性质与功能给予了间接的论证,从而为这种广义逆的进一步应用给予了提示。该论证表明,这种广义逆不仅具有增补方程个数的作用,而且还具有对修正模型的参考基增补高阶理论模态信息的功能。通过本文论证,文[2][4]之解的唯一性问题明确解决了,即为一个实用完备模态空间中的确定解。     

冗余惯组故障检测与隔离的广义似然比解耦矩阵构造新方法

冗余惯组可提高运载火箭制导系统的可靠性,惯性器件发生故障会污染导航信息,需要进行在线故障检测和隔离。面对安装矩阵一定的成套冗余捷联惯组,使用Potter算法构造解耦矩阵的广义似然比故障检测方法,无法检测并隔离特定轴故障,提出选择正交投影矩阵的极大无关组来构造解耦矩阵,采用全数字仿真对改进方法进行验证。结果表明,新方法克服了成套惯组同轴共基座安装时某个轴向无法故障检测的问题,且故障检测性能没有降低。该方法为运载火箭制导系统在线故障检测技术提供了一种新思路。