航天器规避动态障碍物的自适应人工势函数制导

针对航天器近距离操作中的动态障碍物规避问题,研究了一种燃料较省、精度较高的规避动态障碍物的自适应人工势函数制导方法。首先,对于引入高斯函数形式斥力势会使势函数在收敛点处的值不为零的情况,对斥力势乘以修正项,使得在收敛点的势能为零,消除了平衡点的偏离;在规避静态障碍物的基础上,研究了规避动态障碍物的人工势函数制导。其次,根据速度与引力梯度之间的关系,设计负反馈,使引力势梯度“适应”速度的变化,研究了规避动态障碍物的自适应人工势函数制导。最后,采用精确的数学模型进行数值仿真,验证所设计的制导律的正确性和有效性,并与传统的人工势函数制导对比。仿真结果表明：采用修正势函数提高了收敛精度;自适应人工势函数制导控制脉冲作用施加更加合理,相比人工势函数而言,总速度脉冲消耗可节省30%,精度提高两个数量级。     

基于动态视觉传感器的无人机目标检测与避障

针对无人机在动态环境中感知动态目标与躲避高速动态障碍物,提出了基于动态视觉传感器的目标检测与避障算法。设计了滤波方法和运动补偿算法,滤除事件流中背景噪声、热点噪声及由相机自身运动产生的冗余事件;设计了一种融合事件图像和RGB图像的动态目标融合检测算法,保证检测的可靠性。根据检测结果对目标运动轨迹进行估计,结合障碍物运动特点和无人机动力学约束改进速度障碍法躲避动态障碍物。大量仿真试验、手持试验及飞行试验验证了所提算法的可行性。     

移动机器人自主动态避障方法

针对基于水流场的全向移动机器人动态避障过程中可能出现的避障失效和避障路径过长问题, 提出了一种基于速度斥力场改进人工势场方法的全向移动机器人自主动态避障方法。详细分析基于水流场改进的人工势场法在动态避障过程中存在的移动机器人从障碍物前方绕过而引起的避障路径过长或避障失效问题;在基于水流场的人工势场避障方法中, 根据移动机器人和动态障碍物的相对速度, 引入速度斥力场, 使得移动机器人从动态障碍物的后方通过, 实现全向移动机器人的安全自主动态避障。通过仿真和室内避障实验, 验证了所提自主动态避障方法的有效性和实用性。      

基于自适应预测校正的月球软着陆制导控制方法

应用自适应预测制导方法，研究月球软着陆过程中的制导控制问题。作为一种具有逻辑结构的构造性方法，本文概述了自适应预测制导方法的实现步骤。针对月球软着陆过程中制导控制量少于被控制量这一“欠驱动”问题，在已有的基于一阶特征模型的全系数自适应预测校正方法的基础上，将输入输出相等的系统拓展为输入少于输出的“欠驱动”系统，以满足对位置、速度矢量同时进行制导控制的需要。本文针对初始状态误差、推力偏差、质量偏差以及比冲偏差下的软着陆过程，进行了Monte Carlo仿真分析，结果表明，自适应预测制导方法可有效用于月球软着陆过程的制导控制，且具有较高的精度和较强的鲁棒性。     

基于障碍物代价势场的移动机器人避障算法

移动机器人所处的环境通常是动态的, 机器人需要及时做出响应, 同时保证路径的平滑度及与障碍物间的安全距离。针对此问题, 提出了一种基于障碍物代价势场的移动机器人动态避障算法。通过建立静态栅格地图及障碍物的代价势场, 获得动态场景下的等势线及经过起点、终点的切线, 求解最小生成树获得初始候选路径, 针对路径的长度、障碍物距离及平滑度对候选路径锚点进行调整。通过引入障碍物速度对代价势场的影响, 使得机器人能对移动中的障碍物做出及时的响应。为验证所提算法的有效性, 在分辨率为1 200×1 000 m的栅格场景下分别对静态场景和动态场景进行仿真, 结果表明:所提算法能够在保证路径具有较高的平滑度且与障碍物间保持安全距离的条件下使路径尽可能得短;同时在动态障碍物场景下依然能保持路径的平滑和避障的安全性, 满足动态场景下移动机器人路径规划的要求。      

火星着陆器的大气进入段有限时间抗干扰制导律设计

考虑含有外部干扰影响下的火星着陆器的大气进入段制导律设计问题,提出一种基于阻力跟踪的复合制导策略。首先,根据火星着陆器的动力学模型,并结合阻力曲线定义,给出了含有外部干扰的阻力剖线动态方程;其次,为了保证系统有良好的抗干扰性能和较快的跟踪速度,基于阻力剖线动态方程,设计了有限时间反馈制导律;然后,为进一步提高系统的抗干扰能力,设计了干扰观测器,估计未知干扰,利用干扰估计值前馈补偿,最终形成复合制导律。最后,通过对比仿真验证了该方法的有效性和优越性。     

基于RCMAC网络的动态逆再入制导方法研究

针对升力式再入飞行器的制导问题,首先利用准平衡滑翔原理给出标准的阻力加速度．速度剖面,并对阻力加速度跟踪制导原理进行分析,然后利用自回归小脑模型神经网络（RCMAC）网络良好的非线性逼近能力、泛化能力和自学习能力,采用基于RCMAC网络的动态逆方法实现对阻力加速度的跟踪,并证明闭环系统的稳定性．三自由度仿真结果表明,该制导方式降低了动态逆方法对模型的依赖,增强了制导系统的鲁棒性．     

考虑地球自转的探月返回反馈线性化跟踪制导律设计

研究考虑地球自转的探月返回跳跃式再入的纵向制导问题.通过对制导动力学进行详细分析,给出了地球自转对制导精度产生影响的原因.在此基础上,针对探月返回跳跃式再入的纵向制导问题,研究了考虑地球自转的反馈线性化跟踪制导律的设计问题.当考虑地球自转时,制导动力学十分复杂,如果直接按照非线性系统反馈线性化控制理论进行制导律设计,所需测量量较多,制导律难以实现.设计了一种简化的反馈线性化跟踪制导律,并分析了设计机理.最后进行了数学仿真,与航天飞机反馈线性化跟踪制导律进行了比较,所设计的制导律在一定不确定下制导精度更高.     

基于动态逆的空空导弹奇异摄动中制导律

结合奇异摄动和动态逆方法,以飞行时间和末端能量的线性组合为性能指标,推导了一种近最优中制导律.导弹状态方程根据状态变量时间常数写成三时间尺度系统.降阶系统包括纵程、横程和比能动力学方程.用最优控制理论求解出降阶系统最优解,即原系统的外解.动态逆应用于边界层修正,得到一个闭环控制器,其性能可根据爬升、高空等高飞行和下滑阶段或其他情况的不同要求进行调整.仿真结果表明:该制导律满足了对弹道平滑度、飞行时间和末端能量的要求.中段末端航向误差小,为中、末制导的平稳交接班提供了保障.      

全向移动机器人动态避障方法

动态避障是全向移动机器人在复杂工作环境下不可或缺的能力。针对在复杂动态环境下传统人工势场法容易陷入局部极小点、目标点不可达和振荡等问题，提出了利用水流场的思想重新定义人工势场的斥力势场函数及其方向，改进方法在不增加计算量的情况下能够使机器人平滑且安全无碰撞到达目标点，实现避障过程。为了实现三维动态仿真，提出了一种基于V-REP与MATLAB的联合仿真方法，并结合改进人工势场法实现全向移动机器人的动态避障模拟，验证了方法的平滑性和可行性。将所提方法应用于实验室内真实场景，全向移动机器人成功实现了动态规避动作，验证了方法的实用性。      

非合作目标的自主接近控制律研究

主要研究了针对非合作航天器的自主交会和拦截两种接近模式的控制律。根据非线性相对运动方程,采用李雅普诺夫(Lyapunov)方法设计了自主交会的控制律;并对该控制律进行了改进,使其适用于拦截模式,能以一定的相对速度接近目标。同时针对非合作目标存在机动的情况,采用Lyapunov最小-最大方法设计了自主接近的控制律。仿真结果证明了基于Lyapunov方法的自主接近控制律的有效性。     

Optimal guidance and collision avoidance for docking with the rotating target spacecraft

The guidance and control strategy for spacecraft rendezvous and docking are of vital importance, especially for a chaser spacecraft docking with a rotating target spacecraft. Approach guidance for docking maneuver in planar is studied in this paper. Approach maneuver includes two processes: optimal energy approach and the following flying-around approach. Flying-around approach method is presented to maintain a fixed relative distance and attitude for chaser spacecraft docking with target spacecraft. Due to the disadvantage of energy consumption and initial velocity condition, optimal energy guidance is presented and can be used for providing an initial state of flying-around approach process. The analytical expression of optimal energy guidance is obtained based on the Pontryagin minimum principle which can be used in real time. A couple of solar panels on the target spacecraft are considered as obstacles during proximity maneuvers, so secure docking region is discussed. A two-phase optimal guidance method is adopted for collision avoidance with solar panels. Simulation demonstrates that the closed-loop optimal energy guidance satisfies the ending docking constraints, avoids collision with time-varying rotating target, and provides the initial velocity conditions of flying-around approach maneuver. Flying-around approach maneuver can maintain fixed relative position and attitude for docking.     

空间非合作目标交会对接影像测量自适应处理

分析了空间非合作目标影像测量及特征点提取机理,根据对接中特征点识别噪声不确定和空间摄动引起的模型误差,对传统滤波方法进行改进;通过量测更新后的新息数据对量测噪声量级进行估计,同时采用渐消自适应方法对模型误差进行处理,增进滤波效果;设计了针对空间非合作目标对接段的滤波器,能够提供对接段相对位置、速度、姿态角及角速率估计信息。仿真结果表明,提出的改进滤波算法能够在测量噪声不确定和模型误差条件下达到较好效果。     

非合作目标拖拉式对接机构设计与分析

针对非合作目标对接技术的要求和特点,提出了一种以卫星远地点喷管为对接接口的非合作目标拖拉式对接机构方案。设计了拖拉式对接机构的具体结构并建立其三维CAD模型,根据此模型,对机构进行了包络范围的求解;使用ADAMS软件对机构进行了动力学仿真,分析了对接过程中目标星与机械臂的动态特性,分析了对接过程中捕获力与关节受力情况。计算与仿真结果表明,提出的对接机构能够对目标进行有效、可靠的对接捕获,碰撞接触力小于280N,不会造成本体及目标的破坏。与以往对接机构相比,此拖拉式对接机构具有结构简单、可靠性高、捕获范围大、控制方法简单等优点,且机构受力合理,适合作为空间非合作目标对接的捕获装置。     

无人机自主引导跟踪与避障的近端策略优化

针对无人机地面动态目标跟踪问题，建立了远距离自主引导与近距离伴飞避障2个阶段的马尔可夫决策过程模型。在此基础上，提出了一种改进的近端策略优化（PPO）算法。考虑到无人机接收到的数据具有时序性且环境状态存在上下文关联，所提算法采用长短期记忆（LSTM）网络，通过无人机与目标的实时位置关系等状态信息来计算奖励值，更新网络参数，并进行自适应优化迭代。通过基于ROS系统的仿真测试平台进行试验，结果表明：所提算法安全有效地实现了侦察任务全过程的自主机动，与传统的PPO算法相比，LSTM的引入缩短了模型训练时间，跟踪与避障的效率明显提高，进一步加强了算法的鲁棒性、准确性和实时性。     

天舟二号货运飞船全相位自主快速交会对接技术和在轨验证

介绍天舟二号货运飞船全相位自主快速交会对接技术和在轨飞行结果.介绍21世纪以来交会对接发展的两个趋势：自主和快速；给出天舟二号货运飞船全相位自主快速交会对接方案，以及主要技术特点；给出天舟二号货运飞船5~8 h飞控实施方案和推迟一天发射的飞控实施方案，以及在轨执行效果.天舟二号货运飞船入轨自主快速交会对接是世界上首次进行的全自主快速交会对接任务，为我国空间站工程后续任务奠定了坚实的技术基础.     

Motion prediction of a non-cooperative space target

Capturing a non-cooperative space target is a tremendously challenging research topic. Effective acquisition of motion information of the space target is the premise to realize target capture. In this paper, motion prediction of a free-floating non-cooperative target in space is studied and a motion prediction algorithm is proposed. In order to predict the motion of the free-floating non-cooperative target, dynamic parameters of the target must be firstly identified (estimated), such as inertia, angular momentum and kinetic energy and so on; then the predicted motion of the target can be acquired by substituting these identified parameters into the Euler’s equations of the target. Accurate prediction needs precise identification. This paper presents an effective method to identify these dynamic parameters of a free-floating non-cooperative target. This method is based on two steps, (1) the rough estimation of the parameters is computed using the motion observation data to the target, and (2) the best estimation of the parameters is found by an optimization method. In the optimization problem, the objective function is based on the difference between the observed and the predicted motion, and the interior-point method (IPM) is chosen as the optimization algorithm, which starts at the rough estimate obtained in the first step and finds a global minimum to the objective function with the guidance of objective function’s gradient. So the speed of IPM searching for the global minimum is fast, and an accurate identification can be obtained in time. The numerical results show that the proposed motion prediction algorithm is able to predict the motion of the target.     

交会对接光学成像敏感器中合作目标的分析与设计

交会对接技术是实现太空梭、太空平台和空间运输系统的装配、回收、补给、维修、太空人交换及营救等在轨服务的先决条件，交会对接光学成像敏感器是两航天器交会对接近距离平移靠拢段唯一能够提供六自由度相对导航信息的敏感器，由安装于追踪飞行器上的相机和安装于目标飞行器上的合作目标组成，采用角反射器作为合作目标标志，完成两飞行器间的相对位姿的解算.对其需求分析、设计方案、回光能量测试等进行了讨论，该方案已在神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船与天宫二号的交会对接任务中成功验证，后续针对空间站及光学舱任务进行适应性修改.