基于单视图的非合作航天器三维体素重构算法CSCD

空间对抗态势下,针对非合作航天器的快速高精度智能感知、意图识别与威胁评估等在轨相对导航任务,均依赖精准的目标三维模型先验信息。但星载传感器感知视场有限,传统基于多帧图像的模型重构算法存在流程复杂、实时性差及恢复精度低等问题。为此,提出了一种基于单视图的航天器三维体素重构算法,能够基于单帧图像高效地恢复目标的空间三维信息。首先,针对空间航天器视觉感知任务研究中普遍存在的数据饥饿问题,通过整理航天器三维模型,利用图像渲染技术构建了小规模本地数据集,包括航天器三维模型、对应体素和多视角采样图像三部分。接着,设计了基于单视图的三维重建模型,使用单帧非合作航天器图像作为输入,通过2D-3D混合卷积完成“编码-解码-调优”三个子模块计算,实现对目标三维体素结构的恢复。最后,在本地数据集上进行网络模型的训练和评估,验证了当前模型能够实时精确重建目标航天器三维体素模型,并在现有数据上取得了0.895的MIoU值;同时,网络对不同航天器的重建效果体现了模型具有强大的泛化能力。     

直升机旋翼流场特性PIV试验分析

基于PIV技术对悬停和前飞状态的模型旋翼流场进行了试验研究,对比分析了不同前飞速度、总距、转速、方位等条件下的旋翼速度场和桨尖涡运动,获得了在悬停和前飞条件下旋翼流动特性,为旋翼非定常流动机理研究和桨叶气动设计提供试验支持.     

航天器悬停构型设计与控制方法

为满足航天器在轨服务任务对悬停技术的需求,对航天器悬停构型的设计与控制问题进行了研究。通过任务航天器轨道设计得出目标航天器与任务航天器的绝对轨道关系,并用以说明悬停轨道的形成机理。结合任务航天器相对于目标航天器的相对轨迹,采用具有严格定义的相对轨道要素,对悬停轨道在目标航天器轨道平面内和平面外的构型进行描述。对"间隔式"的悬停构型脉冲控制策略进行推导,以实现任务航天器在目标航天器任意位置的长期悬停,并在此基础上分析悬停构型变化对速度脉冲的影响。最后,通过典型仿真算例验证所提方法与结果的正确性和有效性,并获得任务航天器在不同悬停轨道间转移的实现过程。研究结果完善了航天器悬停轨道的设计与控制方法,并说明了设计的悬停轨道具有可行性,能够为工程任务设计人员提供参考。     

一种基于立体视觉技术的燃烧诊断方法

为了获得一种简便、易于操作的三维光学诊断方法,将双目立体视觉技术引入燃烧诊断领域,并验证了其在燃烧诊断领域应用的可行性。搭建了用于燃烧流场诊断的高速双目立体视觉系统,阐明了双目立体视觉原理并开发了配套软件,通过对标定模板上特征点进行三维重建验证了系统和软件的可用性,对特征点三维重建的绝对误差为0.17mm,相对误差为8%。实现了对非预混冲击火焰表面的三维重建,重建后的三维图像可以清晰地显示出火焰表面的三维几何结构。对一组连续拍摄的图像进行处理,得到火焰在微小时间间隔中的空间演变情况。实验结果表明,利用该技术可以实现对燃烧火焰的三维诊断,利用该技术进行的实验操作相对于其他的光学诊断方法而言也非常简单。     

神舟七号飞船伴随卫星轨道控制及在轨飞行结果

阐述神舟七号飞船伴随卫星轨道接近及绕飞试验阶段(从与飞船分离到形成绕飞轨道)的高可靠、高精度轨道控制方案,介绍试验任务目标、轨道控制策略、轨道控制系统、轨控参数计算、星上自主轨控管理系统设计,通过在轨飞行试验验证轨道控制考察和系统设计的正确性。     

一种空间服务机器人在轨人机交互系统设计

研究在轨人机交互的技术瓶颈在于如何实现视觉、听觉等多源传感器信息的高效融合,以满足一系列耗时长、难度大、风险高、环境恶劣的空间任务需求。为此提出了一种基于多模态信息融合的在轨人机交互系统设计,构建了适应于不同任务需求和极端环境的人机交互体系架构,设计了近程/远程交互方案,构建沉浸式多源信息交互机制,并提供自然友好、高效便捷的人机交互接口。开展了多模态信息交互地面验证试验,结果表明,在轨交互涉及的复杂场景三维重建、人体姿态估计结果能有效克服时延大、临场感差等缺陷;经训练后的机器人对规定手势、语音指令的平均识别正确率分别可达74%和86.1%。     

尾梁边条对直升机气动性能影响试验研究

为克服旋翼产生的反扭矩,目前直升机上主要采用单旋翼带尾桨、双旋翼等布局方案,同时发展了尾梁环量控制及尾梁边条技术。本文应用旋翼/机身组合模型风洞试验方法,探究了尾梁边条对直升机悬停及前飞性能的影响。重点研究了悬停及不同前飞速度下,不同长度和不同安装角度尾梁边条对直升机气动性能的影响。试验结果表明,悬停状态尾梁边条可通过提供侧向力来增加机身扭矩,能够帮助尾桨卸载从而减少尾桨功率消耗。而前飞状态尾梁边条对直升机气动性能基本没有影响。     

航天器动作状态的可视化遥测方法研究

遥测是航天器在轨状态监控的重要手段,随着任务形式逐渐复杂,航天器在轨动作也越来越多,常规的信息遥测手段难以满足要求。针对该问题,本文提出一种可视化遥测方法,使用相机在轨拍摄图像对航天器动作过程进行直观监测,并通过分析计算,获得航天器动作的速度、位移等关键信息,通过月地高速再入返回飞行器在轨验证,证明了该方法的有效性。     

基于运动信息的视频图像空间目标检测

针对卫星拍摄的以深空为背景的视频图像中空间运动目标的检测问题进行了研究,提出了一种基于运动信息的目标检测算法。首先,通过均值滤波对图像进行降噪处理；然后,采用基于局部统计的可变阈值来分割单帧图像,使用灰度重心法计算像点坐标。当卫星凝视目标区域时,恒星可以认为是静止的,而目标依旧在运动,基于此,可检测出空间运动目标。基于某型卫星在轨拍摄的视频图像验证了算法的有效性。     

共轴式双旋翼悬停流场的水洞PIV测量

采用粒子图像测速(PIV)技术,对共轴式双旋翼在悬停状态下的流场进行水洞实验,测量得到旋翼流场的涡量和速度分布,桨尖涡的结构和脱落轨迹等直观整体的图像,研究了共轴式双旋翼悬停流场的气动干扰特性.为了比较,对单旋翼也进行测量.实验结果为直升机的气动计算和合理设计提供了可靠的实验依据.      

卫星轨道变化规律的综合分析

对于航天工程而言,无论是航天器的发射,卫星轨道设计,地面测控系统的跟踪、定轨和预报．还是卫星在轨运行过程中的轨道控制策略等,均需了解卫星轨道变化的规律。为此,本文对人造卫星(包括中心天体为快自转天体和慢自转天体两种引力源的绕飞轨道器)的轨道变化特征以及轨道寿命进行系统的综合分析。为各种应用提供简明信息。     

航天器在轨可更换模块机构与结构设计

航天器常在其任务中出现功能失效,造成巨大的损失,而在轨模块更换技术则是利用空间机械臂自主对可接受在轨服务航天器进行故障模块更换、升级、补充消耗品等。通过对在轨可更换模块在轨服务的任务、在轨可更换模块的组件构成,从而得出在轨可更换模块的机构设计方案,进而又对在轨可更换模块进行结构设计,利用 SolidWorks 软件建立该结构的三维模型,实物模型验证了其可行性。     

图像序列中机动目标三维运动和结构的计算

综合视觉运动分析中的2类处理方法,选取图像中的角点作为特征点,在理论上证明了图像序列的光流场可以近似地用角点的位移场代替。利用已有文献中的建模思想,详细推导出递归计算机动目标三维运动和结构的非线性计算模型,采用广义卡尔曼滤波(EKF)递归地计算图像序列中机动目标的三维运动和结构。合成图像序列和真实图像序列实验结果表明该算法能取得较好的效果。     

基于CFD方法的直升机旋翼/尾桨非定常气动干扰计算

采用CFD方法针对直升机旋翼/尾桨气动干扰问题进行了数值计算研究.建立了一个适用于旋翼/尾桨干扰气动力计算的方法.在该方法中,控制方程采用三维非定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,网格系统使用嵌套网格技术以计及旋翼和尾桨的相对运动.基于所建立的方法,分别计算研究了悬停状态、低速前飞状态以及巡航平飞状态时干扰状态的旋翼和尾桨气动力,并深入分析了尾桨旋转方向对干扰特性的影响.计算结果表明:旋翼对尾桨的气动干扰在各计算状态都存在,且干扰影响不总是负面的,这取决于飞行状态;而尾桨对旋翼的干扰作用则在悬停状态时较为明显,但在前飞状态时可忽略不计;尾桨旋转方向对尾桨气动力的影响较大,合理地选择尾桨的旋转方向可以改善其气动特性.      

一种旋翼翼型多点多约束气动优化设计策略

充分考虑伴随方法的梯度求解的准确性、CFD计算量小等显著优点,研究了引入基于伴随方法的梯度信息的响应面模型构造问题,发展了基于梯度信息改进的响应面方法,提高了多设计变量适应性及优化效率;针对悬停/前飞/机动状态下的旋翼翼型升阻比、阻力发散马赫数、最大升力等气动特性精确分析需求,分别提出了对应的合理气动计算策略;为有效适应旋翼翼型复杂气动设计问题,发展了基于伴随方法与响应面法有效结合、针对悬停/前飞/机动状态对应气动计算策略的一种较实用高效的旋翼翼型气动优化设计策略,提高了计算精度、鲁棒性与优化效率,进行了典型OA309旋翼翼型算例验证,优化后旋翼翼型与原OA309翼型相比,综合性能有较好改善,研究表明,所发展的气动设计策略是有效、可行的。     

图像融合技术检测低可观测目标评述

阐明了利用图像信息空间覆盖范围大的特点,运用图像融合的手段来对低可观测目标进行检测.通过综合处理来自多个传感器图像包含的检测对象信息、环境特性信息、运动信息、空间信息、时间信息,获得的融合信息包含任何单一传感器无法提供的信息,进而提高检测性能.扼要介绍了像素层图像融合、特征层图像融合以及符号层图像融合的基本概念.列举了图像融合技术一些应用实例,阐述了用图像融合技术检测低可观测目标的优点.着重强调了检测低可观测目标需要进一步研究的问题.     

基于混合状态机的航天器自主绕飞多模态控制

本文研究了对非合作目标的自主绕飞控制问题，提出了基于混合状态机的自主绕飞多模态控制方法。首先，根据自主绕飞任务目标和轨道安全性分析，定义了远程接近、近程接近、相对位置保持、绕飞转移、碰撞规避、撤离等状态以及各个状态的控制目标。其次，为了实现航天器各个行为状态之间的协调转换与控制，建立混合状态机模型对各个状态进行自主管理和监控，设计了状态之间跳转的转换函数。然后，根据不同状态的控制目标，设计了多模态运动规划与控制策略，实现多模态自适应有限时间跟踪控制。最后，对本文所提出的自主绕飞控制方法进行了仿真验证，仿真结果说明了所提出的方法的有效性。     

鸭式旋翼/机翼飞机悬停状态飞行动力学特性

针对鸭式旋翼/机翼(Canard Rotor/Wing,CRW)飞机独特的气动布局,常规的分析方法及经验公式很难准确地对CRW飞机进行飞行动力学研究,通过飞行辨识对CRW飞机悬停状态特性进行了研究。首先,设计了飞行试验并获得了高质量的飞行数据,基于频率响应对CRW飞机的状态空间模型进行了简化。然后,在频域内对飞机的动力学参数进行了拟合优化,获得了CRW飞机悬停状态的动力学模型,并用飞行数据对所建模型进行了验证。最后,用辨识所得参数与常规直升机悬停状态时的参数进行了对比。结果显示悬停时CRW飞机的操纵导数和阻尼导数均比常规直升机小,经分析,操纵导数的减小主要是CRW飞机独特的旋翼设计所致,阻尼导数减小的原因主要是旋翼气动影响以及鸭翼、平尾、垂尾的结构影响。动力学特性分析结果为CRW飞机旋翼模式总体设计的进一步优化提供了指引和参考,所建立的模型可用于控制系统设计。     

高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性分析

研究双拉力螺旋桨复合式高速直升机的气动特性可以为高速直升机的设计及气动优化提供参考。基 于动量源方法构建针对双拉力螺旋桨复合式高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性数值计算及分析方法;对 孤立旋翼、旋翼/机身干扰进行算例验证;应用所构建的方法对双拉力螺旋桨高速复合式直升机悬停及前飞状 态的干扰流场进行数值模拟,分析机身对悬停流场影响及不同前飞速度旋翼/螺旋桨/机身干扰特性。结果表 明:悬停时机身对气流的阻塞作用降低了旋翼的升力,螺旋桨对旋翼下洗气流的加速作用使旋翼升力提高;低 速前飞时旋翼/螺旋桨/机身干扰较大,主要体现在旋翼下洗流造成螺旋桨滑流偏折以及机翼上表面压力分布 增大,高速前飞时这种干扰较小。     

基于嵌套网格方法的直升机尾梁边条气动干扰数值模拟研究

采用基于运动嵌套网格技术的计算流体力学方法开展旋翼/机身气动干扰计算分析,研究了45°、90°、120°三个安装角度尾梁边条对直升机气动特性的影响。数值分析结果表明,悬停状态尾梁边条可为机身提供侧向力、增加机身扭矩,能够帮助尾桨卸载。其中,120°尾梁边条悬停状态增加机身扭矩效果最明显。且安装120°尾梁边条后直升机在前飞状态的气动特性基本没有影响。