基于蝙蝠飞行的仿生智能卫星编队管理策略

摘要： 卫星编队构型的保持对编队任务实施至关重要，针对高精度卫星编队控制策略复杂不易于实现的问题，提出了一种基于蝙蝠飞行的仿生智能编队管理策略.首先分析了编队动力学和图论理论，总结自然界中蝙蝠群体的行为规律，给出了蝙蝠飞行数学模型，以此设计了编队虚拟中心用于衡量卫星编队整体效益和局部效益，进而给出了仿生编队管理策略，算法清晰实用.最后，应用卫星编队算法对对卫星编队构型进行控制仿真验证，实现了高精度、低能耗的稳定控制.     

面向地面无人平台的仿生偏振光定向算法

仿生偏振光定向为地面无人平台提供了一种新型的低成本、小型化定向方式。设计了一种基于微阵列式偏振光栅的仿生光罗盘,实现了一种加权平均的偏振光定向算法,分析了大气偏振模式误差、太阳位置误差、偏振光传感器误差和水平姿态角误差等因素对航向角估计精度的影响。实验结果表明,动态车载条件下定向误差小于0.5°。     

基于Labview的磁罗盘测试系统设计与实现

磁罗盘是无人机航向测量的常用关键部件，为了测试其性能的好坏，设计了一套基于PXI总线计算机等硬件和Labview软件的磁罗盘智能测试系统。该系统能够有效地完成LP-1磁罗盘各项性能测试，具备友好的人机交互界面，能够对测试数据进行保存。实际应用表明，该系统工作稳定、操作简便，在无人机部件装机放飞前能够及时发现磁罗盘部件故障隐患，提高了无人机飞行安全。     

一种用于仿生导航无人机航姿求解的混合滤波方法

针对现有组合导航系统易被干扰欺骗以及姿态求解精度不足的问题，设计了惯性测量单元(IMU)与偏振光传感器组成的航姿参考系统(AHRS)。同时，考虑到传统的姿态求解方法精度不高，提出了一种用于仿生导航无人机航姿求解的混合滤波方法。将Mahony滤波后的姿态值作为系统观测量，再结合扩展卡尔曼滤波(EKF)实现传感器数据的深层融合，以获得高精度的姿态角信息。实验结果表明：在静态环境下采用混合滤波方法求解的姿态值能有效滤除偏振光传感器和加速度计内部噪声干扰，其稳定性明显优于两种方法各自求解时的情况；在动态实验中该方法能有效抑制单独采用Mahony滤波时存在的超调问题，表现出更高的动态解算精度，从而为偏振光组合导航系统提供了更精确的姿态估计信息。     

基于空间RURS机构的三维仿生扑翼机构设计与分析

为实现仿昆虫翼尖的空间“8”字型运动轨迹，设计了一种基于空间revolute-universal-revolute-spherical(RURS)四杆机构的扑翼机构，通过单自由度驱动即可输出三维的空间“8”字轨迹。运用Denavit-Hartenberg参数法建立了空间四杆机构的运动学模型，利用遗传算法对机构进行了优化，得到了利于扑翼飞行的机构参数。基于该空间四杆机构的优化结果，建立了一种微型的扑翼机构虚拟样机，通过ADAMS仿真得到其输出运动并验证了运动学理论计算的正确性。所设计的扑翼机构扑动幅度达到149.8°，扭转角度达到29.9°，且“8”字型扑动规律与昆虫翅膀的运动更为相近。扑翼机构的最大尺寸不超过5.8cm，仿真发现的时间非对称扑动对气动性能有一定提升，对于微型化、轻质化、高效化扑翼飞行器的研究具有重要的参考价值。      

基于“蛾眼”灵感的抗反射微纳结构表面技术

飞蛾眼睛表面所覆盖的纳米级结构对光的吸收作用,启发了人们对亚波长结构与光作用的思考。抗反射技术可减少光能在传播过程中的损失,被广泛应用于光学系统、太阳能电池、光电子设备、显示屏幕、窗口元件等领域。蛾眼抗反射微纳结构表面概念的提出为光学抗反射技术的发展提供了新的思路与契机。简要回顾了蛾眼抗反射微纳结构表面技术的基本概念、技术发展情况,并对各种应用于抗反射微纳结构表面的加工技术进行了总结与归纳,对一些新的技术发展方向进行了讨论。     

机械蝴蝶模型悬停飞行的流动显示实验

为了探索蝴蝶独特的外形及运动模式下蕴含的流动机理,与以往只考虑翅膀气动影响的拍动翼实验不同,我们开发了一种同时考虑身体及翅膀的机械系统用以模拟蝴蝶的悬停飞行,并采用染色液流动显示的方法对升力的主要来源--前缘涡进行了细致的观测.结果显示,在蝴蝶飞行的上下拍动过程中均有前缘涡产生,且不是以往观测到的螺旋或锥状结构,而是近似等直径的柱状联通形式,其明显特征为:在拍动加速阶段存在明显的展向流动,而在减速阶段则会出现破裂;另外,蝴蝶看似杂乱无章的运动实际上是一种自适应控制的结果,有助于提高升力.     

基于偏振光传感器的导航系统实验测试

导航传感器的研制具有重要的研究意义及实用价值,根据沙蚁(Cataglyphis)的导航定位机理研制了一种新型的偏振光导航传感器,介绍了传感器的结构原理及功能模型,设计了基于偏振光传感器的导航控制系统,利用现有的移动机器人平台对导航系统的性能进行了实验测试。测试结果表明,该传感器无误差累积,在移动载体自主导航系统中有广泛的应用前景。     

仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝结构耐撞性

基于自然界微观生物结构的启发,设计了1种新型仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝（ARH）,并对其耐撞性能进行数值模拟。结合竹子的梯度结构和椰子树的同心胞结构,提出了2种单向梯度和2种双向梯度同心ARH结构。梯度同心结构设计方法不仅可诱导结构渐进的冲击行为,而且因其较低的等效壁厚可改善其比吸能能力。与传统ARH结构相比,对仿生ARH结构的平台应力和吸能特性进行研究,并分析耦合压溃变形模式、收缩变形机理和负泊松比效应等来揭示结构的增强机理。结果表明：预测的耐撞响应和压溃变形模式与参考结果相似;相对传统的ARH,梯度同心ARH有更高的平台应力和比吸能,且平台应力的上升和压溃变形模式均呈梯度变化;梯度方向对压溃变形模式和各层变形顺序影响较大;双向梯度同心ARH比单向梯度同心ARH因耦合变形具有更高的吸能能力;同心胞数对蜂窝各层的收缩变形有较大影响。     

基于偏振光及重力的辅助定姿方法研究

提出了一种以太阳方向矢量为基准的偏振光导航方法,该方法利用太阳方向矢量物理意义明确的特点,消除了直接利用偏振光进行导航定向时存在的180°模糊性问题。为完全观测载体姿态,同时引入了重力观测量,提出了利用偏振光及重力矢量联合辅助定姿的方法,并详细推导了该方法的观测方程,同时给出了当姿态误差较小时,观测方程的简化线性形式。利用该姿态观测方程,设计了基于偏振光及重力辅助定姿的偏振光/GPS/SINS组合导航算法。理论分析及仿真表明,通过引入偏振光及重力矢量进行辅助定姿,导航系统可以直接观测载体的平台姿态误差,进而增强了系统对载体姿态的估计性能,且使得组合导航系统可以完成大初始姿态误差时的导航任务。