大部件对接中iGPS高精度位姿测量优化设计

 为保证大部件对接位姿测量精度,提高对接测量效率,实现大部件最优位姿装配,提出了基于iGPS测量系统的大部件对接位姿测量优化设计方法。首先,基于iGPS系统测量模型和不确定度模型建立对接测量网络,并对其网络测量精度进行仿真分析,优化设计了对接测量网络iGPS多发射器的布站方式;其次,基于对大部件位姿参数求解模型及不确定度模型的仿真分析,优化设计了调姿基准点的布设方式;最后,对某机型大部件对接进行了位姿测量方式的对比实验。结果表明,经过位姿测量优化设计后,大部件对接测量x、y、z的位置调整不确定度均小于0.16 mm,姿态滚转角、俯仰角和偏航角的角度调整不确定度均小于3.1",相较于未经布站优化设计的测量方式,精度至少提高了20%。由此证明该测量优化设计方案能够高效、高精度地对移动大部件进行实时位姿测量,在有效提高大部件对接位姿测量效率及精度方面是可行的。     

舱段类部件数字化柔性对接系统设计与试验研究

为实现大尺寸、大重量、多约束关系的舱段类部件数字化、柔性化对接,研制了一套舱段类部件数字化柔性对接系统。阐述了该系统的组成及工作流程,通过数字化测量系统测量舱段上的位姿测量特征点,集成管控平台解算其相对位姿,控制并联调姿平台进行运动,实时监控舱段间装配力,实现舱段的调姿与对接。给出了数字化测量系统的应用、基于并联调姿平台的位姿调整与装配力测量及集成管控平台的功能设计,并完成了舱段对接的试验研究。试验结果表明,该系统满足大型舱段类部件柔性对接要求,提高了装配一致性,保证了产品与操作者的安全。     

基于视觉的大尺度部件相对位姿实时测量方法研究

相对位姿是装配过程中的一项重要监控项。针对大尺度部件对接过程中的相对位姿测量需求,提出了一种基于视觉的相对位姿实时测量方法。该方法利用单目视觉技术,通过采集合作靶标的图像,实时解算大部段间的相对位姿,用于辅助大尺度部件的装配。首先,设计了一套相对位姿实时测量系统,包括搭载单目相机的视觉测量单元,以及用于辅助位姿解算的合作靶标;其次,对相对位姿测量的完整流程进行了研究,包含系统标定方法与实时位姿解算方法;最后,在实验室环境下对位姿测量系统的精度进行测试。试验结果表明,位姿测量系统在垂直于光轴方向的重复精度可达0.02mm,沿光轴方向重复精度优于0.2mm,输出位姿结果时间低于0.3s;对多测量单元组网测量进行了仿真计算,垂直于光轴方向的重复精度优于0.1mm,沿光轴方向重复精度优于0.2mm,输出位姿结果时间优于1.3s。试验结果表明,提出的方法可满足一般大尺度部件对接过程实时位姿监控与对接状态评估的需求。     

交会对接任务轨道控制规划设计与实施

针对我国空间交会对接轨道控制规划技术,研究了轨道交会优化、应急轨道控制、安全轨道防护和发射窗口规划等一系列关键问题。设计了全寿命周期交会对接任务轨道控制规划方案,从目标飞行器发射到飞船返回,对轨道控制进行了全程协同、全局优化。设计了相位、高度、圆化度多目标融合控制算法;建立了规划变量对远距离导引终点六自由度的独立控制方程;设计了标称整体规划与动态逐级规划相结合的多模式规划策略;基于导引终点整体调整和局部调整的方式,实现了正常和应急条件下天地导引交接点的动态规划;提出了基于飞行控制过程建模的导引终点精度分析方法,确定了地面导引向自主导引切换的关键判据;建立了多约束交会对接发射窗口模型,构建了多任务多年度发射窗口集合。交会对接轨道控制规划技术成功应用于神舟八号、神舟九号和神舟十号交会对接任务。     

交会对接任务轨道控制规划设计与实施简

针对我国空间交会对接轨道控制规划技术,研究了轨道交会优化、应急轨道控制、安全轨道防护和发射窗口规划等一系列关键问题.设计了全寿命周期交会对接任务轨道控制规划方案,从目标飞行器发射到飞船返回,对轨道控制进行了全程协同、全局优化.设计了相位、高度、圆化度多目标融合控制算法;建立了规划变量对远距离导引终点六自由度的独立控制方程;设计了标称整体规划与动态逐级规划相结合的多模式规划策略;基于导引终点整体调整和局部调整的方式,实现了正常和应急条件下天地导引交接点的动态规划;提出了基于飞行控制过程建模的导引终点精度分析方法,确定了地面导引向自主导引切换的关键判据;建立了多约束交会对接发射窗口模型,构建了多任务多年度发射窗口集合.交会对接轨道控制规划技术成功应用于神舟八号、神舟九号和神舟十号交会对接任务.     

改进的粒子群算法求解飞机位姿评估问题

在飞机装配中,要求调姿基准点距离误差和最小以及各点距离误差满足容差条件。以往的飞机位姿评估算法注重距离误差和最小,可能出现调姿基准点的距离误差不满足容差约束的情况。为了求解在满足容差约束条件下的距离误差和最小的飞机位姿参数,提出一种新的优化模型,将带容差约束转化为带惩罚函数,与距离误差和一同作为优化目标,采用求解约束优化问题的粒子群算法进行求解。在上述算法上进一步改进,通过动态改变约束参数来加强约束条件,可以通过迭代方式进一步减小飞机调姿基准点最大距离误差。仿真算例和蒙特卡洛分析证明,求解约束优化的粒子群算法和改进的粒子群算法在求解飞机位姿评估问题时,求解得到的调姿测量点最大误差小于奇异值分解法。     

大型飞机机身调姿与对接试验系统

为实现飞机大部件装配过程的数字化、自动化和柔性化,研制了大型飞机机身调姿与对接试验系统.阐述了该系统的工作原理,通过激光跟踪仪测量试验机身上的检测点,集成管理系统计算试验机身的位姿,控制系统驱动多个三坐标数控定位器协同运动,实现试验机身的调姿与对接.建立了位姿调整机构的运动学模型,针对构建的硬件平台完成了包括集成管理系...     

飞机大部件自动对接同步调姿方法

提出了飞机大部件自动对接同步调姿方法,实现了大部件调姿基准点的连续自动跟踪测量和位姿连续调整.在此基础上开发了集测量场构建、大部件位姿解算和调整等功能于一体的大部件自动对接集成控制软件,并在ARJ21飞机翼身自动对接现场进行了应用试验,结果证明该方法能有效完成飞机翼身自动对接过程,提高测量和对接效率.     

空间机械臂辅助大质量舱体对接阻抗控制方法

针对空间机械臂辅助大质量舱体对接任务中,由于大臂展机械臂柔性、控制误差、机械误差等因素,导致末端位置精度差、对接机构偏离对中位带来的对接困难的问题,提出采用阻抗控制的方法。分析了对接任务中的模拟对接机构的特性,发现其受到的碰撞力与对中位姿偏离方向具有一致性,验证了阻抗控制算法的可行性;针对六维力传感器安装位置距离对接机构较远、惯性力影响严重的问题,提出了六维力信号补偿算法,保证了阻抗控制计算的正确性;进行了仿真实验,结果表明采用阻抗控制算法能在保证对接成功的前提下,有效减小接触力大小。     

飞机装配中柔性工装定位单元位姿的实时获取方法

在某些飞机部件装配过程中,柔性工装定位单元(简称工装单元)是由一个并联机构组成的,并联机构动平台的位姿决定了飞机部件的位姿,因此实时得到工装单元的动平台位姿的目的是实时计算其各个机构杆长与目标的差距,指导工装单元快速调整到装配所需的目标位姿,从而使飞机部件达到目标位姿。提出了一种通过激光跟踪仪与跟踪仪的STS六维传感器配件(简称6D设备)配合,实时获取工装单元动平台位姿的方法。对工装单元与6D设备配合工作的原理进行研究,通过软件接口获得6D设备的位姿,通过数学计算得到6D设备的位姿矩阵和工装单元动平台位姿矩阵。设计了试验方案并通过试验验证了算法的正确性。     

面向飞机大部件调姿的PPPS机构球铰点中心位置闭环标定方法

PPPS机构球铰点中心位置对飞机大部件调姿精度有重要影响,为了解决当前常用的球铰点中心位置获取方式在精度或效率上的不足,提出一种PPPS调姿机构球铰点中心位置的闭环标定方法。首先,分析了球铰点中心位置误差与运动学逆解时定位器位移求解偏差的关系及大部件位姿变换参数对其的影响;然后,提出了基于关键特性结合奇异值分解几何意义的飞机大部件位姿参数快速求解方法,使位姿参数求解过程更加直观简捷,同时相较于常用的奇异值分解方法在精度上没有损失;利用一次调姿过程前后大部件位姿参数的变化和定位器的位移反馈,结合运动学逆解对球铰点中心的位置进行闭环标定,最后,以某型号飞机垂尾测试件为例验证了所提出方法的正确性和实用性。     

一种新型弱撞击对接机构运动学分析

目前各国在轨应用的对接机构属于硬碰撞式对接机构,在此构型下两航天器在空间进行碰撞接触时撞击能量较大,并且此结构下目标飞行器的对接范围较窄。随着空间探测任务的深入,需要对对接机构提出更高层次的设计要求,因此弱撞击对接机构也将成为空间探测任务中一项重要的研究方向。本文对弱撞击对接机构运动学的正解和反解进行了研究分析,得到了相应的推导公式,并通过MATLAB软件对其进行了算例校验。求解出了对接环运动速度和执行推杆伸出速度的关系,这对弱撞击对接机构的工程研制有很大的应用价值。     

基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划

为了使太空机械臂在关节锁定故障后仍能继续完成后续任务,提出一种基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划方法。基于牛顿-拉夫逊法计算太空机械臂关节人为限位,完成满足任务需求的退化工作空间求解,通过构造姿态可达度指标,在退化工作空间的基础上建立故障机械臂基坐标系下的位姿可达空间。通过在代价函数中增加最小奇异值代价项改进传统A^*算法,基于改进A^*算法在所建立的位姿可达空间内完成太空机械臂容错路径规划。所提方法综合了位姿可达空间与改进A^*算法各自的优势,实现了关节锁定故障太空机械臂同时满足避奇异与位姿可达要求的轨迹搜索。通过建立7自由度太空机械臂运动学模型开展数值仿真研究,仿真结果验证了所提容错路径规划方法的有效性。     

Parameter optimization for torsion spring of deployable solar array system with multiple clearance joints considering rigid–flexible coupling dynamics

In this paper, four novel evaluation indices and corresponding hierarchical optimization strategies are proposed for a deployable solar array system considering panel flexibility and joint clearance. The deployable solar array model consists of a rigid main-body, two panels and four key mechanisms, containing torsion spring mechanism, closed cable loop mechanism, latch mechanism and attitude adjustment mechanism. Rigid and flexible components are established by Nodal Coordinate Formulation and A...     

带中介轴承的双转子系统振动耦合作用评估

为了评估中介轴承对双转子系统的振动耦合作用,从临界转速位置振型变化、临界转速变化、模态振型与稳态不平衡响应的应变能分布变化、中介轴承受力变化等多角度,阐释双转子耦合振动的表现形式和关联关系,提出了相应的评价指标或评估方法,并以典型燃气涡轮发动机双转子系统为对象,进行了分析评估。结果表明,单转子的模态振型可能在双转子模态振型中表现为3种形式,一一对应出现、重复出现或耦合出现,对应的临界转速及应变能分布也会随之产生相应的变化;中介轴承受力在临界转速位置出现峰值,而应变能分布变化最大的转速位置与系统临界转速位置不一致,同时还受不平衡激励位置影响;各单元应变能占比变化量随转速变化曲线可详细分析特定不平衡激励下系统应变能分布变化情况。所提方法可为双转子-中介轴承系统的设计、故障诊断提供参考。     

Design and analysis of truss deployable antenna mechanism based on a novel symmetric hexagonal profile division method

As the deployment, supporting, and stability mechanisms of satellite antennas, space-deployable mechanisms play a key role in the field of aerospace. In order to design truss deployable antenna supporting mechanisms with large folding rate, high accuracy, easy deployment and strong stability, aiming at the geometric division of the parabolic reflector, a novel method based on symmetric hexagonal division and its corresponding modular truss deployable antenna mechanism is proposed, and the original method based on asymmetric triangular division and its corresponding mechanisms are presented for comparative analysis. Then, the screw theory is employed to analyze the mobility of different mechanisms. Furthermore, the improved three-dimensional mesh method is used to divide the reflector surface of a large parabolic antenna designed by the two different methods, and the profile accuracy and the type of links are taken as the evaluation indexes to quantitatively analyze the division results. Finally, a three-dimensional model of the modular deployable mechanism based on the symmetric hexagonal design is developed, and the deployable mechanisms with different configurations based on the two design methods are compared and analyzed from the mechanical perspective. The research results provide a good theoretical reference for the design of deployable truss antenna mechanisms and their application in the aerospace field.     

激光测振仪直流增益和直流偏移的测量不确定度

介绍了用最小二乘法评价外差式激光测振仪信号处理电路直流增益和直流偏移指标时,测量结果的不确定度分析和评定过程.讨论了影响直流增益测量不确定度的几个主要误差来源,包括信号源误差、被校仪器响应误差、被校仪器直流增益、标准仪器测量误差的影响等等.给出了减小直流增益测量不确定度的主要措施:①环境控制措施,以减少环境带来的不确定度;②选取高精度信号,以减少信号源误差带来的不确定度;③选取高精度标准测量仪器,以减少测量误差带来的不确定度.通过一个实例,给出了激光测振仪信号处理电路直流增益和直流偏移指标不确定度分析和评定结果.该过程及结论可应用在相应参数的计量校准中.     

基于力位协同控制的大飞机机身壁板装配调姿方法

为校正中机身壁板由于重力和调姿内力产生的变形，提高中机身壁板装配调姿精度，提出了一种基于力位协同控制的装配调姿方法。通过将调姿机构等效为并联机构，推导了调姿机构的解析正反解模型；根据螺旋理论，建立了力传感器测量值与重力、调姿内力之间的映射关系，实现重力补偿值的动态计算，基于局部刚体-弹性连接假设，通过多元线性回归方法构建了调姿内力转化为位置补偿量的模型；根据Clamped-Free变形协调原理，简化了定位器调姿内力之间的协调关系，在此基础上提出了重力前馈补偿和调姿内力转化为位置补偿的力位协同控制策略，并对其进行了理论分析与设计。最后，对所提出的控制策略进行了仿真分析，结果表明采用力位协同控制方法，调姿定位精度提高35.3%，调姿内力降低77.8%，通过应用实验，说明了该方法的可行性和有效性。     

Error modeling and compensating of a novel 6-DOF aeroengine rotor docking equipment

In the docking process of aeroengine rotor parts, docking accuracy that indicates the gaps between the end faces is strictly required. A key issue is improving docking accuracy using automated docking equipment. In this paper, a systematic study is carried out on the error modeling and compensation of a novel six-degrees-of-freedom(6-DOF) docking equipment for aeroengine rotors. First, a new model for indicating the main indexes of docking accuracy is proposed. Then, the error model of a special...     

A survey on numerical simulations of drag and heat reduction mechanism in supersonic/hypersonic flows

Along with the survey on experimental investigations drawing attention to the drag and heat reduction mechanism, the authors simultaneously focus on the recent advances of numerical simulations on the schemes applied to supersonic/hypersonic vehicles. The CFD study has evolved as an irreplaceable method in scheme evaluation and aircraft optimization. Similar to our previous experimental survey, the advances in drag and heat reduction schemes are reviewed by similar kinds of mechanism in this article, namely the forward-facing cavity, the opposing jet, the aerospike, the energy deposition and their combinational configurations. This review article puts an emphatic eye on the flow conditions, numerical methods, novel schemes and analytical conclusions given in the simulations. Further, the multi-objective design optimization concept has also been illustrated due to the observable advantages of using CFD over experimental method, especially those performances conducted in drag reduction and thermal protection practice, and this would possess reference value in the design of aircraft system.