采用视觉伺服的月球样品容器夹持控制方法

嫦娥五号探测器月面采样封装任务需利用采样机械臂及其末端执行机构夹持样品容器,为克服非结构化月面环境对机械臂控制造成的不可知影响,确保精确夹持样品容器,提出并设计了一种视觉伺服样品容器夹持的控制方法和系统。系统通过固定安装相机和"眼在手"相机协同获取机械臂末端执行机构以及样品容器特征,采用扩展卡尔曼滤波算法对机械臂末端执行机构位姿的控制参数进行估计,消除控制位姿的轨迹抖动,实现了对样品容器的精确夹持。最后,通过分析在轨月球样品容器被夹持过程的数据和图像,验证了该视觉伺服控制方法和系统设计正确有效。     

月球表层采样样品智能确认方法

表层采样是月球采样探测的重要方式，样品智能确认有助于提升工作效率与复杂问题处理能力。结合月球表层采样铲挖工作过程，分析了铲挖过程中臂载相机图像的特点，模仿有人参与识别过程，提出了层次解耦的月球样品智能识别流程，利用深度学习方法构建了一类深度卷积识别网络，完整地描述了图像、特征、标记在网络中的正反传递关系，并在月球表层采样地面试验中进行了验证，结果表明该方法对不同光照、不同背景、不同过程、不同形态的样品，具有较好的泛化识别能力，误识别率优于8.1%，平均单幅识别时间约0.7 s。     

着陆姿态对地外天体表层采样的影响研究

表层采样技术是获得地外天体特性的重要手段,是完成地外天体采样任务的一项关键技术。文章结合4自由度表层采样装置的特点,建立了表层采样装置的逆运动学模型,分析了极限着陆姿态下表层采样装置安装位置在当地参考坐标系中的变化,并针对一次封装与二次封装过程中表层采样装置的位置和姿态要求,明确了末端采样器姿态补偿方法,提出了着陆姿态对表层采样影响的分析算法。仿真结果表明,该算法能有效分析着陆姿态对表层采样的影响,可为表层采样装置适应性设计提供支持。     

卫星光通信APT控制系统H∞设计

 捕获瞄准跟踪(APT)控制系统的设计是影响整个星间光通信系统性能的重要因素。利用指向偏差的概率分布阐述了卫星光通信过程中捕获概率、跟踪误差及误码率受卫星平台振动和终端装置参数摄动的影响,通过功率谱分析了卫星平台振动在低频段、对象不确定性在高频段对指向偏差的影响,并对其进行了模型化分析。采用H_∞控制混合灵敏度设计方法同时抑制干扰和处理受控对象不确定性问题进行控制器设计。仿真验证表明该方法得到的控制器对平台干扰具有抑制力,对对象摄动具有鲁棒性。     

一种月面采样量的在轨自主测量方法

月面采样量的在轨自主测量是实现月面自主采样的必要环节。本文设计了一种月面采样装置，根据图像信息实现对月面采样量的在轨自主测量。针对图像中目标与背景灰度差较小、背景区域噪声较多的特点，采用了改进型最大类间方差法与连通标记自适应去噪方法，实现了采样区域较为准确的分割。针对单目相机无法直接获取采样区域尺寸的特点，利用已知物体尺寸进行在轨自主标定，结合图像中提取出的采样区域，完成了采样区域尺寸的计算，实现了采样量的在轨自主测量。试验结果表明，在轨自主测量结果与实际结果吻合，本文提出的在轨自主测量方法有效。     

月面复杂地形表层采样可采点确定方法

表层采样是获取地外天体特性的重要手段,是目前原位探测与采样返回样品获取的重要方式。实施月球表层采样过程中,月面复杂地形将对大尺度采样器工作带来约束。结合一类大尺度表层采样器,分析了月面复杂地形的影响,提出了表层采样的可采样充分条件,构建了以可视区分区、分区延伸、局部平均法向量稀疏、基点包覆检测相结合的并行可采点确定方法。仿真结果表明,该方法可准确确定复杂地形下表层采样可采点,分区并行计算可有效提升可采点的确定效率。     

嫦娥五号探测器月面铲挖采样前后状态变化分析

为了深入研究月球演化历史以及太空环境对月球土壤的风化影响,需要定量分析月球表面物质与次表层物质的状态差异。研究提出一种依据彩色图像数据分析月壤状态差异的方法,利用嫦娥五号任务采样期间获取的月球表面铲挖前后的图像数据,分析了每次铲挖前后月球表面的图像灰度表现特性等特征,分析结果表明:月球次表层物质的平均反射率小于表面物质,全色谱段中的平均变化率为-24.71%;局部区域的月球表面次表层物质的平均反射特性基本一致,全色谱段中的平均变化率为-0.30%;月球表层颗粒形态与次表层颗粒形态可能不一致;月球表层颗粒与次表层颗粒组成和化学分子结构可能不一致。分析数据表明嫦娥五号采样位置铲挖前后的原态月壤和新鲜月壤存在明显状态差异,研究结果可为我国后续月球采样实施方案的改进提供基础数据。     

月面回转钻进采样非脆弱鲁棒控制

回转钻进采样技术是实现月面采样任务的重要手段。回转采样机构在月面复杂环境下会发生模型摄动,并受到外部扰动的影响,采样控制器的鲁棒性对顺利完成采样任务具有重要意义。本文针对回转采样机构,分析了采样过程中的模型摄动、外部扰动影响,建立了采样机构状态空间模型,利用线性矩阵不等式方法设计了状态反馈非脆弱鲁棒控制器,仿真结果表明:在有界模型摄动、有界随机系统扰动情况下,回转钻进采样控制系统内稳定,并对扰动具有抑制能力。     

星间光通信终端粗瞄系统鲁棒非脆弱H∞控制

 光通信终端粗瞄控制系统设计对通信链路的建立有重要影响。本文对潜望式粗瞄伺服机构在外层空间受到的力矩扰动进行了分析,由于其变化规律复杂,将其作为低频有界扰动附加于无刷直流 (BLDC)电机上,推导了有界无结构摄动情况下的终端控制对象模型;引入非脆弱状态反馈设计,确保在控制器参数漂移时闭环系统仍具有二次稳定性;利用线性矩阵不等式(LMI)方法,获得了二次稳定条件下的干扰抑制和防止执行器饱和的非脆弱控制器条件;最后对光通信终端的无刷直流电机模型进行分析,利用MATLAB完成粗瞄控制器的解算。仿真表明闭环系统在摄动下具有二次稳定性,对干扰有抑制力,其反馈控制量能满足预防饱和的设计要求。     

月球风化层钻取采样过程密实度分类研究

钻取采样是月球风化层土壤样品获取的重要方式，密实度是重要的风化层月壤原位特性，对钻进过程中的策略制定有重要影响。本文结合钻取采样过程特点，提出了通过采样机构的力、速度、电流、温度等传感器获取的瞬时信息感知月壤密实度的方法，利用深度学习方法构建一类适应于可变长度序列数据的门控型循环神经网络，实现钻进过程月壤密实度在线分类。研究表明，该分类方法在风化层钻进过程中月壤密实度感知滞后时间约为33 s，对未知序列数据识别正确率大于89.36%，具有较高的分类精度和泛化能力。