慢旋非合作目标接近轨迹规划

非合作目标自主在轨服务是在轨服务领域的研究方向,具备避碰能力的接近轨迹规划将在未来的在轨服务任务中扮演重要的角色.给出了一种基于滚动时域的慢旋非合作目标接近轨迹规划方法,利用逻辑变量和连续变量的混合形式来描述避碰约束,从而将轨迹规划问题转化为混合整数规划问题.仿真结果表明,基于滚动时域设计的慢旋非合作目标接近轨迹规划能够使得在轨服务航天器安全地接近终端状态.     

一种用于SGCMG奇异规避的CVP轨迹规划

采用单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的小型敏捷卫星在姿态机动过程中存在着奇异问题.本文从SGCMG姿态控制系统整体出发，将奇异问题转化为状态约束的动态控制问题，基于控制变量参数化(CVP)方法，设计了一种用于SGCMG奇异规避的轨迹规划.该算法在实现小型敏捷卫星大角度姿态机动过程无奇异的基础上，将SGCMG框架角转速的最优轨迹通过CVP方法进行分段线性规划.这种规划策略对框架伺服系统的算法设计无复杂要求，仅需要简单的加减速控制，从而节约了星上资源.在轨迹规划实现过程中，考虑了工程实际中的约束条件，可以按照姿态机动任务要求规划出一条综合考虑能量资源和目标精度的最优轨迹.仿真结果表明：该算法实现了姿态参数轨迹和星体角速度轨迹的平缓变化，目标误差在1×10-3量级，星体在机动过程中运行稳定，SGCMG不会出现奇异现象.     

冗余空间机械臂粗捕获段无碰撞轨迹规划算法

现有的基于C空间的无碰撞轨迹规划算法需要求解C空间以获得C空间障碍边界。对于多自由度的冗余机械臂,求解过程需要消耗很大的计算量和内存,不适用于计算资源紧张的空间机械臂轨迹的快速规划。文章提出了一种不需要求解C空间的试探性规划算法,包含4个子算法：碰撞检测算法、无碰撞目标构型求解算法、无碰撞路径搜索算法和路径平滑算法。已知期望的末端作用器位置和姿态,利用目标构型求解算法得到无碰撞的目标构型,然后由路径搜索算法在C空间障碍边界未知的情况下,利用碰撞检测算法,采用一定的试探规律,在C空间中搜索出一条无碰撞路径,最终由路径平滑算法使该路径平滑,易于实现。仿真算例表明,该算法是快速有效的,适用于冗余空间机械臂粗捕获段的快速轨迹规划。     

关节型机器手臂笛卡尔轨迹规划

为了消除机器手臂空间轨迹规划中采用一般插补法产生的尖角,且让机器手臂在非匀速运动状态下,能够具有连续的速度和加速度.结合空间直线插补和圆弧插补算法,提出一种新的圆弧连接均值直线插补法,并在此基础上进行二次插值,从而使得该算法在加速和减速时也可以获得很好的平滑性,在MATLAB环境下对算法进行了仿真.通过该算法以及对拟合度的调整可以获得最优规划路径.该算法在机器手臂轨迹规划当中具有较好的可行性.     

舰载无人机滑行轨迹控制方法

舰载无人机是航母-舰载机系统的重要作战武器，实现舰载无人机在航母甲板上的自主滑行对于提高甲板作业效率具有重要意义。对舰载无人机滑行轨迹控制方法问题进行了研究。首先，描述甲板滑行任务的过程，在此基础上，建立滑行轨迹控制问题的数学模型，包括舰载无人机甲板滑行运动模型、滑行任务约束条件以及评价轨迹控制任务的性能指标。其次，考虑甲板环境和轨迹控制任务要求，基于模型预测控制思想，将在线滑行路径规划与轨迹控制结合，采用滚动优化方法计算出舰载无人机实际滑行轨迹，并且得到控制指令信号。最后，以“尼米兹”级航母为例，对不同停放位置舰载无人机起飞前的滑行轨迹进行仿真计算，结果表明了模型的合理性和算法的有效性。      

面向非合作目标抓捕的机械臂轨迹规划方法

文章针对非合作目标抓捕问题设计了基于误差反馈系数的机械臂轨迹规划算法.考虑到空间机械臂在轨服务要求,采用反作用零空间方法来规划机械臂运动轨迹以实现机械臂与航天器之间的协调运动.为避免在规划起始阶段位姿误差较大可能导致机械臂关节速度过大的问题,引入了位姿误差反馈系数.为对空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划技术进行验证,搭建了地面半物理仿真系统.试验结果表明,通过合理选择位姿误差反馈系数,设计的轨迹规划算法能够使固定基座机械臂末端执行器以较为均匀的速度逼近非合作目标,并能以较高精度实现对非合作目标的抓捕.该试验可以为空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划提供参考.     

串并混联空间机械臂全自由度轨迹规划算法

目前,国内外对串并混联空间机械臂的研究较少;而且大多在舍弃冗余自由度的情况下进行轨迹规划.针对7自由度串并混联空间机械臂,提出了一种基于解析解、并且充分放开全部7个自由度的机械臂轨迹规划算法.该规划算法既扩大了串并混联空间机械臂的规划可达空间,又保证了规划的实时性,同时还保留了结构承载能力强的优点,可以充分发挥其作为空间抓捕用臂的优势.通过仿真和地面空间操作抓捕试验,验证了算法的有效性.     

基于自适应伪谱法的升力式飞行器火星进入段快速轨迹优化

针对升力式火星飞行器定点着陆任务的轨迹优化问题，给出了基于自适应伪谱法的快速优化算法.综合考虑探测器火星大气进入过程中的动力学约束、边界约束、路径约束以及控制约束条件，利用自适应伪谱法将轨迹优化问题转换为离散的非线性规划问题，采用序列二次规划算法进行求解，得到性能指标最优的进入轨迹.通过仿真验证，给出了实现火星进入过程燃料消耗最优的状态量和控制量轨迹.仿真结果表明，在Matlab中采用自适应伪谱法，能够在800s内采用267个配点，给出近似精度为10-6的火星进入过程中消耗能量最优的参考轨迹.      

基于SA*的CE-3巡视器机械臂就位探测任务规划

针对机械臂规划方法无法满足CE-3巡视器成像及探测光照约束、避碰及机械臂位形切换次数等约束的不足,提出一种基于SA^*的月面巡视器机械臂就位探测任务规划算法。该算法在机械臂的工作空间进行搜索,根据星历计算太阳光照以解决光照约束,通过层次包围盒高效准确地进行机械臂碰撞检测以满足机械臂与环境不存在干涉的约束条件,通过相邻运动行为的代价削减保证规划后机械臂位形切换次数最少。最终通过月面巡视器在轨任务结果验证该算法的可行性。     

考虑能量最优的集群航天器避碰规划

针对传统集群聚集算法在航天器集群规划应用中存在燃料消耗大、不均衡以及耗时过长等问题,提出了向心聚集的能量最优聚类避碰算法。该算法首先基于集群相对运动方程与有限时间的能量最优模型,建立了自适应的向心聚集的能量最优模型;在此基础上,对于耗时较长且碰撞的问题,提出一种基于能量最优的聚类避碰算法,以模块间安全距离矢量作为避碰约束,将能量消耗作为聚类算法指标进行改进。仿真验证表明,该算法可以自适应选取集群聚类的中心,有效避免碰撞,减少集群聚集总能量的消耗以及模块间能量消耗的不均衡性,使得工质消耗达到全局最优,且耗时仅有常规遗传算法的万分之一。该算法为集群快速安全聚集提供了思路。     

基于数据驱动的移动目标卫星任务规划

卫星任务规划是卫星地球观测的重要前提。传统的卫星任务规划主要针对固定地面目标，不能满足日益复杂的任务需求。针对移动目标的卫星观测任务，提出了一种基于数据驱动的移动目标卫星任务规划方法。该方法在大量的移动目标数据的基础上，通过改进的长短期记忆神经网络算法预测了目标的未来轨迹和位置信息，并通过约束满足型遗传算法规划了基于预测算法结果的移动目标卫星观测任务。鉴于移动目标观测中约束和任务冲突的复杂性，约束满足型遗传算法以条件形式将约束嵌入到遗传算法中，并在算法中特别设计了冲突消除算子以解决任务冲突问题。仿真结果证明了该方法在解决移动目标卫星任务规划问题上具有优良的效率，并获得了很高的观测精度。     

基于星下点机动的再入飞行器离轨规划

针对约束再入点地理位置的再入飞行器离轨问题,提出了一种基于星下点机动的离轨规划方法。再入飞行器的离轨轨道设计受到飞行器当前轨道状态和再入点参数的约束。首先,基于轨道飞行原理,建立了一般椭圆轨道冲量模型下离轨制动参数和再入点参数的关系,分析了最优离轨的推力施加原则;其次,在考虑地球自转的前提下,提出了直接离轨必要条件,针对约束再入点经纬度的问题,完善了利用非线性规划优化方法确定有限推力模型下离轨点位置的策略,同时给出了符合燃料最优目标的离轨制动参数;最后,探讨了一般情况下初始轨道不满足直接离轨必要条件时,为满足星下点约束而进行的轨道机动施加策略。      

复杂地形上空超低空风场的工程仿真方法

为描述飞机在低空突防时的外部环境,用多重山脉和多种地貌设计构造了飞机超低空飞行时的复杂地形,同时,基于位势流动理论建立了复杂地形及其上空风场的工程化仿真模型,并进行了算例仿真和分析.该方法可以满足分析飞机做超低空飞行的动力学特性的需要.     

A novel visual servo method for space manipulators by planning jerk

A novel trajectory planning method for space manipulators is proposed in this article, which can generate trajectory in Cartesian space with continuous joint jerk. The key idea is that, given the desired position for an individual joint, the corresponding joint trajectory is generated in a way like a controller. The generated jerk acts as the controller’s output driving an ideal third-order system to arrive at the desired position, with no need for discrete points in advance. In real applications, the visual servo task is accomplished hierarchically. Since the desired pose in Cartesian space measured by cameras concerns multi degrees of freedom (DOF), desired positions for individual joints are obtained by inverse-kinematics model. Then, joint trajectories are generated as above. To improve the trajectory’s smoothness, a bridging matrix is implemented to ensure that the desired pose varies continuously. Simulation and experimental results show that the proposed method is effective to track targets with different kinds of motion, i.e. can track the input-bounded signal asymptotically.     

地震电磁卫星任务规划系统研究

地震电磁卫星任务规划是支持卫星在轨业务运控的核心环节. 通过对地震电磁卫星任务规划系统的研究, 提出了地震电磁探测卫星任务规划的基本原则, 设计了地震电磁探测卫星任务规划系统架构, 分析了系统功能需求和规划处理流程, 在此基础上对地震电磁卫星进行了原型实现.      

无人机复杂环境中跟踪运动目标的实时航路规划

在复杂地形环境中,无人机在跟踪运动目标时,现有的航路规划方法在实时性和可行性上存在一定缺陷.提出了一种新的滚动窗口启发方向计算方法,使其能够跟踪运动目标,同时在滚动窗口内采用流函数法进行避障.根据无人机约束,滚动窗口为三角形,并设计了基于行为的伸缩功能.在流函数中,利用水势能方法克服了陷阱地形并进行了航路平滑.仿真结果表明:这种混合算法对于复杂地形条件下跟踪运动目标的航路规划,能够减小规划算法的时间和空间复杂度,使规划出的航路适于无人机飞行.     

基于姿态在线规划的两轴转台过顶盲区规避

过顶盲区问题是目标在两轴转台奇异点附近区域运动时，转台不能正常跟踪目标的一种现象.从数学和物理上对过顶盲区性进行解释说明，结合工程研制的一些约束条件，提出基于姿态自主在线路径规划的过顶盲区规避策略及具体实施办法，对该策略的假设条件进行了建模和误差估计.最终仿真证明本策略满足预期，适于工程应用.     

Science operations planning expertise: A neglected component of mission design

In this paper, Science Operations Planning Expertise (SOPE) is defined as the expertise that is held by people who have the two following qualities. First they have both theoretical and practical experience in operations planning, in general, and in space science operations planning in particular. Second, they can be used, on request and at least, to provide with advice the teams that design and implement science operations systems in order to optimise the performance and productivity of the mission. However, the relevance and use of such SOPE early on during the Mission Design Phase (MDP) is not sufficiently recognised. As a result, science operations planning is often neglected or poorly assessed during the mission definition phases. This can result in mission architectures that are not optimum in terms of cost and scientific returns, particularly for missions that require a significant amount of science operations planning. Consequently, science operations planning difficulties and cost underestimations are often realised only when it is too late to design and implement the most appropriate solutions. In addition, higher costs can potentially reduce both the number of new missions and the chances of existing ones to be extended. Moreover, the quality, and subsequently efficiency, of SOPE can vary greatly. This is why we also believe that the best possible type of SOPE requires a structure similar to the ones of existing bodies of expertise dedicated to the data processing such as the International Planetary Data Alliance (IPDA), the Space Physics Archive Search and Extract (SPASE) or the Planetary Data System (PDS). Indeed, this is the only way of efficiently identifying science operations planning issues and their solutions as well as of keeping track of them in order to apply them to new missions. Therefore, this paper advocates for the need to allocate resources in order to both optimise the use of SOPE early on during the MDP and to perform, at least, a feasibility study of such a more structured SOPE.     

无人机高机动抗扰轨迹跟踪控制方法

针对传统的四旋翼控制方法在高机动飞行时控制效果不佳,难以跟踪机动性较强的轨迹且控制精度较低的问题,设计了基于增量非线性动态逆控制(INDI)方法和微分平坦前馈的轨迹跟踪控制器,不仅提高了高机动轨迹的跟踪精度,也增强了抗扰能力。由于角加速度无法直接获得,该方法对其非常敏感,设计了多种角加速度估计方法进行对比,通过飞行试验选择了效果最佳的互补滤波方法。试验结果证明:设计的基于互补滤波的前馈INDI方法可以控制飞行器快速、准确地跟踪高机动轨迹,且具有较强的抗扰能力。      

严格回归轨道的管道导航方法研究

分析了作为参考轨道的严格回归轨道与卫星在轨运行状态的相对运动关系,提出近地遥感卫星的管道导航方法。由于参考轨道的设计只考虑高精度的地球非球形摄动,与在轨卫星的动力学环境存在差别,这导致两者之间存在切航向漂移。基于高精度的轨道动力学模型和位置确定方法,设计了卫星与参考轨道采样点的沿航向对齐算法,从而获取了卫星相对参考轨道采样点的相位时间偏差和卫星在参考轨道编队坐标系切航向平面内的相对运动轨迹,进而引入椭圆的“最小二乘适配法”获取相对运动轨迹的特征量。所研究的管道导航方法可应用于基于GNSS测量数据的卫星自主轨迹保持。