自适应增量粒子滤波方法

提出自适应增量粒子滤波(AIPF)的概念和定义,建立AIPF模型,给出了分析方法和主要的计算步骤.对于许多实际工程(如深空探测)中存在的由未知系统误差的影响而无法精确建立量测似然函数及滤波过程中的粒子匮乏等问题,通过增量粒子滤波模型对滤波过程中的粒子数进行自适应调整,从而消除这种未知系统和滤波粒子匮乏的影响,自动调整粒子,提高非线性滤波的精度.仿真计算中,滤波误差均值和方差分别降低为原来的3.8%和19.6%.该方法有效地改善了滤波效果,计算简单,便于工程应用.      

一种基于NGA-QPF的航天器姿态估计方法

针对航天器姿态确定中的非线性非高斯的滤波问题,提出一种基于遗传算法的粒子滤波的航天器姿态估计方法。该方法将姿态四元数作为采样粒子进行粒子滤波,并将小生境遗传算法（NGA）引入粒子滤波算法中,以改善粒子滤波的性能;用遗传算法单独进行陀螺偏差估计,以减少粒子滤波的状态维数。该姿态估计方法保持了四元数的归一化性质,通过引入小生境遗传算法解决了重采样阶段的粒子退化问题,并且由于单独估计陀螺偏差避免了粒子滤波状态的扩展。该方法能够在较少粒子的情况下实现高效率高精度的定姿,仿真结果说明了方法的有效性。     

MPT方法中的纳米粒子识别技术

多粒子追踪（MPT）是测量粒子布朗运动的一种方法。在200nm粒子扩散系数实验测量中,对MPT方法中的粒子识别和粒子匹配两个重要环节提出改进：在粒子识别时,通过调节灰度阈值并检测光斑面积的改变,可有效分别真实粒子和光晕引起的＂伪粒子＂;在粒子匹配中,将手动追踪和程序追踪得到的粒子单步位移用矢量法表示,可直观显示不同追踪方法的粒子匹配效果。实验结果表明,在MPT方法中增加上述措施后,手动追踪和程序追踪获得的实验扩散系数之间的偏差由8%~13%减小为2%~8%,说明基于阈值敏感性的＂伪粒子＂剔除方法合理、有效。     

用确定性涡方法模拟二维钝体绕流

以离散涡方法为基础,采用粒子强度交换法模拟涡量扩散方程,对粒子场分布产生扭曲变形时采用粒子强度重分配,数值模拟了突然起动圆柱、风攻角为的方形截面和大海带东桥的流场,计算结果与解析解及其他数值方法计算的结果均吻合的很好,数值结果显示确定性涡方法的高精度的特性使其在模拟钝体扰流问题方面具有很大的优势.     

X射线脉冲星信号时延的实时估计方法

针对在频域内计算X射线脉冲星信号延时量存在滞后性,进而难以为航天器自主导航提供实时信息的问题,提出将脉冲星信号延时估计转化为时域内标量估计的方法。首先,通过人工神经智能网络获得脉冲星信号的标准轮廓函数作为状态方程;应用粒子滤波算法对脉冲星信号延时量进行实时估计;其次,为了避免标准粒子滤波器中的粒子退化现象,推导并证明了一种新型粒子滤波算法;最后,推导出粒子滤波算法的精度函数,为航天器的导航策略提供参考。以航天器在轨运行中可能遇到的3种情况为背景,验证了所提粒子滤波算法的正确性与有效性。     

PIV图像粒子像斑的定位偏差评估的讨论

针对ＰＩＶ技术的直接测量法中图像的可讯性和可测性，讨论了从模拟图像到数字图像，最后到粒子像斑中心位置的确定过程中的误差规律；并提出一种称之为粒子像斑定位偏差综合评估的试验方法。     

结合双向法则的松弛迭代粒子追踪测速法

在分析基于松弛迭代的粒子追踪测速法(relaxation method based particle tracking veloci metry,简称RMPTV)原理基础上指出其计算"孤粒子无匹配"的缺陷,并提出解决此问题的双向法则。对若干自定义流场图像对中第二帧图像实施点抹除和点添加来分别模拟"粒子无匹配"和噪音点,分别运用单向及包含双向法则的RM-PTV计算其粒子匹配,通过对匹配准确率η的分析发现:单向RM-PTV抗噪能力较强,但受"孤粒子无匹配"影响严重;而双向RM-PTV则能在保持单向算法的优点下准确地计算孤粒子无匹配问题。以空间率Pv=21.845的旋转流场为例:尽管噪音百分比μa的变化对准确率η无甚影响,但无匹配孤粒子百分比μd达到30%时,单向算法准确率降至80%左右;而采用双向算法,即使μa、μd值均为30%,η仍保持在95%。最后通过对标准自定义流场图像的粒子匹配计算再次验证了双向法则去除伪逻辑匹配的可靠性。     

三维PDPA系统在φ3．2m风洞中的实验研究

非接触测量的PSPA系统在φ3．2m风洞中进行双三解翼速度场试验中，采用随测量点位置的移动而进行粒子投放。三维的光路布置则是采用安装在风洞外移测架的横梁上。实验结果表明，粒子投放的方法和光路布置及测量是合理的。同时指出：粒子的投放应该在x／d＞45处，从而解决了在大型低速风洞中的粒子投放和光路布置问题。     

一种基于高斯混合模型粒子滤波的故障预测算法

针对一类故障预测问题提出了一种基于粒子滤波的故障预测算法。在算法的状态估计阶段,采用联合估计和粒子滤波同时估计对象系统故障演化模型状态和未知参数的后验分布。在算法的状态预测阶段,采用了两种不同的计算方法：一种方法是对状态变量当前时刻的后验分布进行迭代采样,从而获得未来时刻的状态变量的先验分布;另一种方法是采用数据驱动的方法预测未来一段时间内对象系统的量测信息,从而将未来时刻状态变量的先验分布的预测问题转化为一个求解后验分布的估计问题。采用高斯混合模型近似随机变量分布密度,从而将两种方法的计算结果在一个统一的预测框架之下进行有效交互,进一步提高了预测的准确性和可靠性。在算法的决策阶段,在获取的故障演化模型状态变量分布基础上,结合一定的故障判据近似计算出对象系统剩余寿命分布。故障预测仿真实验结果证明了所提算法的有效性。     

固体粒子在压缩机叶栅内的部分沉积模型研究

针对轴流压缩机叶栅内固体微粒沉积的问题,发展了新的粒子沉积模型(部分沉积模型)。采用此模型和普遍采用的完全沉积模型进行了计算,计算结果表明两种模型对叶栅前缘处的粒子沉积影响明显。采用部分沉积模型时,叶片前缘处不会出现短时间内不合实际的大量沉积现象,而表现为一种比较均匀的粒子沉积。     

基于SPH方法的圆柱形贮箱液体晃动研究

在飞行器燃油供给方式的选择和飞行姿态控制调整中,必须充分考虑贮箱内燃油的晃动情况及其对贮箱冲击力的影响。然而液体晃动问题的高度非线性使得其研究极具挑战性。采用光滑质点流体动力学方法对圆柱形贮箱内液体的晃动进行建模仿真,将晃动液体的控制微分方程组离散到一系列流体粒子上,从而将不同物理量函数的连续积分转换成支持域内粒子的离散化求和形式,通过求解线性方程组得到数值解。在固壁边界上布置一组虚粒子,以对内部粒子产生排斥力来模拟固壁边界条件,同时采用狄利克雷边界条件方法模拟自由液面,实现对自由液面的追踪。将仿真的液面变化与试验结果作了对比,吻合较好。得到了贮箱壁面上不同监测点的压强变化以及贮箱与液体之间的相互作用力,并说明了结果的准确性。数值计算方法对液体晃动问题的研究提供一定参考价值。     

Fragment Identification and Statistics Method of Hypervelocity Impact SPH Simulation

A comprehensive treatment to the fragment identification and statistics for the smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulation of hypervelocity impact is presented. Based on SPH method, combined with finite element method (FEM), the computation is performed. The fragments are identified by a new pre- and post-processing algorithm and then converted into a binary graph. The number of fragments and the attached SPH particles are determined by counting the quantity of connected domains on the binary graph. The size, velocity vector and mass of each fragment are calculated by the particles’ summation and weighted average. The dependence of this method on finite element edge length and simulation terminal time is discussed. An example of tungsten rods impacting steel plates is given for calibration. The computation results match experiments well and demonstrate the effectiveness of this method.     

一种基于感知的大规模场景粒子系统绘制方法

在分析已有的大规模场景下使用粒子系统对自然现象等模拟方法的基础上,提出了一种绘制大规模粒子系统的方法.在大规模粒子系统的绘制过程中引入基于视截体模型的感知算法对粒子进行细化并引入双重缓冲技术以及粒子动态纹理.将粒子按所属不同区域进行分层次绘制,提高了真实性和灵活性,最终解决了传统绘制方法不适用大规模粒子系统的问题.实验表明,系统的模拟效果真实,满足系统对实时性的要求,适合大规模粒子系统的绘制.     

不同密度材料颗粒对两相湍流调制的实验

 在颗粒雷诺数较小范围内,针对不同密度材料颗粒对气相湍流的调制规律进行了实验研究。采用相多普勒颗粒分析仪(PDPA)测量了气粒两相圆湍射流中气相速度和湍流度的分布,比较了相同形状、相同粒径和体积分数近似相同时玻璃微珠和聚苯乙烯颗粒分别存在时的两相射流流动的气相速度和湍流度。实验发现:不同密度材料的颗粒对气相平均速度的调制作用差别不明显,但对气相湍流度的调制作用显著不同。在近场区域,密度大的玻璃微珠对气相湍流度的增强作用高于密度小的聚苯乙烯颗粒;在远场区域,气相湍流度被削弱,并且密度大的玻璃微珠的削弱作用强于密度小的聚苯乙烯颗粒。该研究为进一步提出合理的两相湍射流的控制方法提供了理论依据和指导。     

基于自适应粒子滤波的涡扇发动机故障诊断

针对涡扇发动机非线性、非高斯的特点,提出了一种自适应的粒子滤波算法用于涡扇发动机气路部件突变故障的诊断.为了减小算法的计算量并且保证滤波精度,分析了滤波精度和样本数目的关系,提出根据滤波过程中状态的方差自适应地调整粒子数,在保证一定的滤波精度下可以有效地减少滤波过程中使用的粒子数,提高了算法的实时性.同时,引入扩展卡尔曼滤波(EKF)用于更新粒子,产生重要概率密度函数,在一定程度上避免了粒子的退化.通过某型涡扇发动机的仿真分析表明:改进的算法相比标准粒子滤波算法用于涡扇发动机气路部件故障诊断时,参数估计的方均根误差减小了50%左右,且算法的计算量减小了30%.     

光学基片表面软质抛光胶体粒子的激光清洗

介绍了光学基片表面软质抛光胶体粒子激光清洗的基本方法、原理和实验装置,并通过对含有污染微粒的基片表面进行激光清洗,获得了高洁净表面的光学基片.     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

粒子云侵蚀问题实验研究中动能通量模拟的意义

本文首先将粒子云侵蚀条件下的驻点表面后退分解为无粒子烧蚀部分、粒子云引起的烧蚀增量部分和粒子撞击物面引起的直接侵蚀部分。然后研究了表面能量平衡关系,给出了粒子云引起的烧蚀增量表达式。最后分三类讨论粒子与飞行器的碰撞:(1)完全弹性碰撞(不符合实际);(2)完全非弹性碰撞;(3)部分弹性碰撞。对于后两种碰撞,本文分析了动能通量模拟适用的条件。     

基于黏性涡模型的旋翼流场数值方法

 建立了一种适用于旋翼非定常流场特性分析的黏性涡数值方法。在该方法中:流场中的大尺度涡被离散为若干微小的涡元,通过求解涡量-速度形式的Navier-Stokes方程模拟涡元的输运等过程;黏性扩散效应采用高精度的粒子强度交换法进行计算,而桨叶附着涡以及新生涡环量采用了Weissinger-L升力面理论进行求解;为显著提高计算效率,在诱导速度及其梯度的计算中还引入了快速多极子算法(FMM)。应用上述方法,对悬停和前飞状态下的多个旋翼流场算例进行了计算,通过对比旋翼尾迹涡量特征和诱导速度分布等,验证了该方法的有效性。此外,还将本方法与旋翼计算流体力学(CFD)方法及传统的自由尾迹方法进行了比较,结果表明黏性涡方法在兼顾效率的同时,还能够更好地捕捉旋翼尾迹运动。