Hexapod平台参数设计优化

 针对工程应用中的Hexapod平台参数设计优化问题进行研究。Hexapod的上下平台半径被选作设计变量,同时分析了其运动约束条件,包括杆作动器的伸缩范围,铰链转角,作动杆间的干涉条件等,其中对杆间干涉约束进行了简化处理。此外,设计变量上下限、各平移或转动自由度上的行程要求等也被作为约束考虑。目标函数以工作空间、承载能力和运动逆解精度等量度的加权形式表示,由此建立了参数优化问题的模型,该问题用遗传方法求解。数值仿真表明,经参数优化后的Hexapod平台满足所有考虑的工程要求;对比等杆长的Cubic构形Hexapod,所设计的Hexapod平台在工作空间、承载能力方面具有明显优势,从而证明了该参数优化方法的有效性和实用性。     

精密跟瞄Hexapod平台研制及其振动控制

为了实现星载光学设备的精密跟瞄,以自行研制的宏/微双重驱动复合作动器为主动元件,设计了合理的平台构型,选择并装配了铰链等关键部件,组装完成了具有振动主动控制和大幅跟瞄能力的Hexapod平台原理样机。利用牛顿-欧拉法建立了Hexapod平台线性动力学模型。采用改进的自适应振动消减器(ADC)方法进行了平台主动隔振的控制仿真与实验研究。由仿真结果可知,当Hexapod平台底部受到方向不同的双频正弦微振动干扰时,控制可以隔离干扰向平台上平面的传播;在实验中,平台上平面处于水平位置及转动一定角度时,底部微扰动引起的各杆振幅均下降了90%左右。结果表明了所研制的Hexapod平台用于主动隔振的可行性、建模的有效性以及改进的ADC方法的合理性。     

基于并联构型的飞机装配调姿定位机构精度研究

针对飞机装配中机身壁板等组件调姿定位问题,本文首先提出了一种基于3-UPS并联构型的飞机装配调姿定位机构,该机构可以实现飞机组件装配的6自由度调姿与定位.同时,为提高飞机组件装配精度,分析了各运动副铰链间的误差间隙对飞机装配调姿定位机构姿态的影响,并据此建立了3-UPS并联机构的有效杆长模型.进一步地,基于并联机构位置正解得到了飞机装配调姿定位机构的定位精度模型.最后,通过MATLAB仿真分析了间隙的存在对机构运动精度的影响,为基于3-UPS并联机构在调姿定位中的控制补偿提供了理论基础.     

空间光学遥感器次镜定位平台的设计与测试

为实现光学望远镜高质量成像,次镜的调整系统要求具有精密定位、高承载能力以及较高的相对精度等特点。基于该特点,设计了一种次镜定位六自由度并联平台,对该并联机构进行运动学分析、力分析以及误差分析。根据给定误差,对并联平台促动器以及关节铰链进行设计。最后,对平台的技术指标进行测试。测试结果显示,并联机构相对精度≤1.2%,分辨率0.5μm,并联机构的轴向刚度≥40 N/μm。系统的旋转中心可以任意放置在运动限制范围内,能够实现望远镜次镜的精密定位任务。     

基于SDT和间接平差的中机身自动调姿精度分析

以4定位器式中机身调姿机构为研究对象,提出了一种飞机部件动态调姿精度的分析方法。首先,使用小位移旋量(Small Displacement Torsors,SDT)对定位器各关键公差建模,建立了定位器4层次误差SDT模型。其次,基于微分变换推导出定位器制造误差与中机身位姿误差之间的显式函数关系,给出了制造误差传递与累积系数矩阵。在此基础上,结合5次多项式轨迹规划方法,建立了单个定位器动态误差传递数学模型。然后,针对多定位器的误差耦合,综合运用间接平差法和加权最小二乘法,提出了多定位器球铰中心点动态误差耦合计算方法,并推导出了误差补偿量计算表达式。试验结果表明,依据该方法计算定位器驱动修正值,对调姿机构实施误差补偿,能较好地降低调姿误差,提高调姿部件的定位精度,为保证大部件对接装配协调准确度提供了有效途径。     

基于动力学模型的飞机大部件调姿轨迹规划

为了提高飞机调姿的运动安全并减小在误差敏感方向的冲击,采用Newton-Euler方法构建了调姿系统的动力学模型,以实现调姿轨迹的优化。该动力学模型综合考虑了支撑杆变形、驱动丝杆变形及运动误差的影响,可对比不同轨迹时部件运动全过程的运动学特性,实现多目标多约束条件下的轨迹优化。为了提高计算效率,提出了一种类间可分性最优的自适应核主成分算法进行特征提取,并结合模式识别中的自动分类方法,预判可行轨迹的性能,控制搜索范围,减少寻优过程中的计算量。以某型数控定位系统为例,在对150条可行调姿轨迹进行评价和优选后,大部件调姿过程的最大平动速度小于20mm/s,调姿结束时的最大角速度小于0.1rad/s,说明了该方法的可行性和有效性。     

某型飞机机身自动对接平台研制

为实现飞机机身对接过程的数字化、自动化和柔性化,研制了分布式机身自动对接平台。阐述了该平台总体构成与设计原理,在详细分析机械系统组成和电气控制系统结构的基础上,完成了平台各系统的集成。利用激光干涉仪器、机身前段样件和机身后段样件对自动对接平台的定位精度、应力控制和自动对接功能进行了测试,测试结果表明:数控定位器定位精度为0.015mm,可满足中机身对接装配精度要求;在调姿过程中前、后段样件的X、Z轴应力较小,不会对机体产生损伤;中机身自动对接平台能够实现中机身前段和后段的调姿、对接及装配完成后对中机身技术指标检测功能。     

空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

重力对空间机构运动行为影响研究综述

随着航天技术的发展,各种空间机构的使用将越来越普遍。任何空间机构在设计、装调和使用上,必然会遇到重力及其释放条件下运动行为差异的问题。因此有必要对重力对空间机构运动行为的影响进行研究。针对此背景,从采用落塔、抛物线飞行和空间站在轨飞行试验等方面介绍了国外在进行空间机构定位精度、电机驱动电流、摩擦参数等方面获得的空间与地面实验数据对比研究成果,并阐述了我国的相关研究进展,指出应采用地面模拟与空间试验相结合的形式,找出空间机构地面装调与空间应用运动学与动力学参数的差异,为空间机构设计提供理论依据。     

基于四杆机构单元的柔性铰链设计与尺寸优化

针对柔性铰链存在的转动角度小和径向漂移大等问题,进行了大转角和高精度柔性铰链设计。利用四杆机构中曲柄摇杆机构的转角放大特性,以固化的四杆机构为变形模块,通过摇杆的小变形实现铰链的大转角运动。柔性铰链中固化的四杆机构为超静定结构,基于超静定结构理论进行了柔性单元的受力分析,并建立了柔性铰链的刚度模型,实现柔性铰链的分析和设计。根据设计方案选取设计变量,基于理论推导得到刚度建立目标函数,根据性能和几何边界建立约束条件,利用遗传算法对柔性铰链尺寸进行优化,并通过ANSYS进行了特定尺寸下柔性铰链变形和应力分析,验证了优化结果的正确性。     

考虑机翼尾流影响的运输类飞机后体气动外形优化设计（英文）

在某典型运输机翼身组合体的构型上,进行了考虑机翼尾流影响的机身后体气动外形优化设计研究。基于翼身组合体构型建立了考虑尾流影响和部分工程约束的优化设计系统,并对后体构型在巡航状态下进行了优化设计。以比较适合描述后体变形的NURBS样条基函数为空间控制体属性引入FFD自由变形技术,通过在FFD控制框架对该运输机后体进行了空间属性构建。采用无限差值动网格技术提高空间网格的更新效率并保证网格质量。利用改进Kriging代理模型、量子粒子群优化算法提高优化效率和全局寻优能力。为减小巡航阻力,对某运输机后体的上翘角、截面形状等参数进行了优化设计,优化结果显示,设计后的机身气动特性明显提高。     

考虑潜在威胁区的航天器最优规避机动策略

随着一系列轨道转移飞行器的工程化实施,航天器可能面临的非合作交会威胁日趋严重。针对该问题,根据交会机动的特点定义了新的规避机动指标——潜在威胁区,相较于传统的相对距离和碰撞概率等规避指标,潜在威胁区更适合航天器在面对非合作交会追踪器时进行规避机动,能够有效提升航天器的抗交会能力。首先,建立追踪器多脉冲最优交会模型,以此为基础给出潜在威胁区的定义与计算方法;然后,以潜在威胁区弧长为优化目标,建立了目标器最优规避模型,采用遗传算法进行目标优化;最后,根据所建立的双层优化模型进行数值仿真,以初始相距100km为初始条件进行仿真并计算得到了使潜在威胁区为零所需规避脉冲值,验证了文中模型的正确性,结果显示所定义的潜在威胁区弧长随着规避脉冲的增大呈严格的单调递减关系。研究为在轨航天器在面对非合作交会时提供了有效的规避策略,提升了航天器的空间生存能力。     

一种以燃耗为优化目标的航天器在轨加注作业调度

针对基于空间燃料站的多目标航天器在轨加注任务,以GEO航天器为加注对象,对"多对多"模式的航天器在轨加注作业调度问题进行研究。首先以轨道转移燃耗为优化目标,考虑时间、燃料等约束条件,建立了在轨加注作业调度问题的数学模型。模型中,通过设计优化变量,结合多圈Lambert问题中速度增量与转移时间的关系,将航天器在轨加注作业调度问题转换成整数规划问题,在此基础上,采用遗传算法对其求解。然后以14颗GEO轨道航天器作为目标航天器进行数值仿真计算,并对仿真结果进行分析,验证解的正确性以及算法的可行性,结果表明算法能够有效地解决基于空间燃料站的在轨加注调度问题。     

面向结构振动控制的压电作动器优化配置研究

 为了研究压电主动结构振动控制当中作动器的位置优化问题,从系统的状态空间方程出发,在系统可控性Gram矩阵特征值的基础上来描述性能指标,以输入的能量吸收率为优化目标函数,提出了一种新的位置优化配置准则。利用有限元分析(FEA)方法分析作动器的配置,并与遗传算法(GA)结合进行优化计算,计算过程中对作动器的位置采用二进制编码加以描述。通过对一压电简支板结构的仿真计算对该方法进行了验证,并与其他几种不同的配置方法进行对比,从而证明了新方法的优越性。     

输入量化下航天器位姿一体化预设时间控制

航天器在轨抢修或维护等空间近距任务中，往往要求执行任务的航天器在限定的时间窗口和有限通信带宽的条件下，实现对目标的位姿跟踪。针对其姿轨耦合控制问题，提出了一种带有输入量化的姿轨一体化预设时间控制方法。首先，在Lie群SE(3)框架下，建立了相对运动航天器位姿一体化误差动力学模型。其次，引入了输入量化机制，减小控制器到执行机构间的通信频次。接着，基于推导的实际预设时间稳定引理，结合反步法设计了一种非奇异预设时间位姿跟踪控制器。为提高系统鲁棒性，设计新型自适应律估计并补偿系统总扰动，并利用量化器参数抑制量化误差；该方法能够在不依赖系统初始状态、输入量化和扰动信息未知的情况下实现预设时间内稳定，且稳定时间上界可由一个控制参数预先设定。然后，基于Lyapunov理论证明了系统的稳定性。最后，数值仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于浮点编码遗传算法的行星轮系折叠机构优化设计

针对折叠机翼变体飞机,设计一种适合装配在变体飞机小空间的行星轮系折叠机构。在系统研究行星轮系设计目标、设计变量和约束条件的基础上,基于浮点编码遗传算法,使用MATLAB优化工具箱对其主要参数进行优化。结果表明：相对于安全系数法,浮点编码遗传算法可减轻结构重量16．7％,使折叠机构在满足设计指标的情况下达到质量最轻的目的;采用浮点编码遗传算法进行优化求解是行星轮系机构设计的一种行之有效的优化设计方法。     

参数优化方法在AUV组合导航系统PQR调参中的工程应用

为提高水下无人潜航器(AUV)的组合导航定位精度,需要对组合导航系统的参数进行调节,以保证组合导航系统获得较高的组合导航性能.针对AUV组合导航系统的P QR调参,借鉴多学科优化设计思想,首次提出了基于目标优化方法和传感器实采数据的P QR参数整定方法.首先,使用传统经验值开展了模拟AUV"水下潜航-水面GP S校准-水下潜航"工作方式的跑船试验和传感器数据采集.之后,基于传感器数据回放和组合导航过程的离线仿真,使用目标优化方法对组合导航系统的系统参数进行了优化求解.最后,使用P QR最优解分别开展了实航和离线仿真的对比验证.试验结果表明,目标优化方法能够应用于AUV组合导航系统的P QR调参,可以保证SINS/GP S/DVL组合导航系统的稳定性和较高的水下组合导航定位精度.使用该方法调参后,经实航验证和离线仿真对比,水下组合导航定位精度的CEP50指标分别降低至人工调参方式的44.0％和56.0％.该方法简单、有效,具有较高的工程应用价值.     

基于卫星和星敏感器的冗余激光惯组在轨标定

采用高精度卫星导航速度、位置信息以及星敏感器提供的姿态信息设计十表冗余捷联惯组的标定模型,包含陀螺和加速度计的零次项和标度因数,对卫星和星敏感器辅助的冗余激光陀螺捷联惯组进行实时在轨标定.利用标准Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波作为估计算法,对十表冗余捷联惯组参数进行在线估计.数值仿真结果表明:参数标定精度均在7％以内,是一种实时的在轨标定方法,满足误差补偿要求.冗余惯组在轨标定方法为航天器高精度定姿和定轨提供了一种理论参考.     

遗传算法在雷达吸波涂层多目标优化设计中的应用

本文利用遗传算法实现了雷达吸波涂层的多目标优化设计.首先对目标函数进行合理设计,同时基于Pareto最优概念,采用非劣分层遗传算法(NSGA)进行多目标优化.对具体实例的优化结果表明,该方法利用共享函数和小生境技术,可以使优化结果均匀的收敛于Pareto域附近.同传统优化方法相比,该方法物理意义明确,对决策者来说更具科学性、针对性和实用价值.     

套筒驱动的大型可展收柔性太阳翼地面展开重力卸载研究

大型空间展开机构在微重力环境工作,自身不具备克服地面重力展开的能力,在地面进行展开试验验证时,需对机构进行重力卸载。套筒驱动的大型可展收柔性太阳翼存在在轨展开步骤多路径复杂、活动部件多、收拢构型紧凑而展开尺度大的特点,地面重力卸载难以实现。以过程无需调整航天器姿态就完成全部展开步骤为目标,利用气浮法、配重法、悬吊法等对展开过程的不同步骤设计了相应的重力卸载方案。采用特殊构型的工装解决了干涉问题,采用主动牵引的方法消除了工装引入的摩擦力。方案得到地面展开试验验证,具有工程借鉴价值。