自由飞行空间机器人遥操作三维预测仿真系统研究

三维预测仿真技术是目前解决大时延遥操作的主要方法,在空间机器人的遥操作中起着至关重要的作用。针对自由飞行空间机器人建立了一套遥操作三维预测仿真系统,并进行了地面演示验证。首先介绍了空间机器人系统及其遥操作分系统组成,以及图形预测仿真原理。然后详细介绍了遥操作分系统预测仿真子系统的开发,该子系统基于面向对象的思想和MVC(Model\|View\|Controller)模式进行设计,采用Java语言和Java3D图形库进行开发。仿真系统以空间机器人的运动学模型和动力学模型进行驱动,具有快速、准确的图形碰撞检测功能。最后建立了遥操作地面演示验证系统,进行了多次遥操作实验。结果表明了预测仿真子系统的有效性。
关键词:中图分类号：文献标识码：A 文章编号：DOI:     

基于HLA的载人航天器飞行任务仿真平台研究与实现

面向载人航天器飞行任务仿真需求,根据载人航天器的特点以及高层体系结构(HLA)技术,提出了基于高层体系结构的载人航天器飞行任务仿真平台方案,设计实现了由运行管理、飞行指令、数据记录、数据可视化等功能,以及涵盖轨道、姿态、能源、动力学等多个专业仿真模型组成的仿真平台,给出了应用实例,并就仿真平台开发中的联邦开发过程、仿真模型接口软件、飞行场景三维可视化等关键部分进行了探讨。与单一的飞行任务仿真软件相比,该分布式仿真平台覆盖的专业面更全,验证内容更丰富,可扩展性更强。随着载人航天器系统飞行任务复杂程度的提高,通过对仿真平台的扩展和重用,可适应新的任务验证需求。该仿真平台可为复杂载人航天器的飞行任务设计验证提供依据,并对基于HLA的其他航天器仿真系统的联邦设计与开发具有一定的参考价值。     

导弹飞行仿真系统可视化设计与实现

针对导弹设计中对飞行仿真数据和舵面、喷管等动态部件实时观察的需求,设计了一种以系统仿真、虚拟现实和可视化技术为基础的导弹飞行仿真系统,先通过弹体数学仿真模型计算得到飞行仿真数据,然后通过仿真管理部分对数据进行处理和保存,最后采用三维视景显示、二维弹下点轨迹和数据动态曲线显示等方式,实现了导弹飞行系统的可视化仿真.实验结果表明,系统能够实现导弹的实时飞行仿真,能够实时观测飞行仿真数据和弹体、舵面、喷管等部件的动态变化,为导弹设计与研制提供了直观、有效的仿真手段.     

基于远程实时数据的导弹虚拟飞行仿真

以基于远程实时数据的导弹虚拟飞行仿真为例,着重探讨了三维模型、虚拟场景的建立以及实时数据在视景仿真中应用的方法.通过仿真实现了基于实时数据的导弹虚拟飞行的三维可视化显示.可用于实时、直观地监测导弹飞行中的姿态及轨迹,提高了导弹虚拟场景的逼真度和实时性.     

飞行控制系统大闭环半物理仿真研究

设计了实时飞行控制大闭环半物理系统,全系统由飞行控制、导航、动力学仿真、视景仿真和其他硬件子系统组成,通过反射内存实时网络相连,实现真正意义上的大闭环半物理仿真,具有较好的实时性、可靠性、通用性。通过大闭环半物理仿真系统的仿真测试,验证了飞控计算机、四轴惯性组件、导航计算机、电动作动器和负载模拟器等系统的有效性和可行性。最后,总结优点并提出该系统的改进方向。     

编队飞行卫星三维定位系统的动力学和控制策略

提出应用多颗编队飞行小卫星实现的三维定位系统。首先建立精确动力学模型和摄动方程,然后进行数学仿真和估算三维位置精度,最后讨论位置保持控制策略。仿真结果表明:编队飞行三维定位系统定位精度高,不受纬度影响,而且可以实现全球同时定位功能。     

火箭飞行异常遥测天线实时跟踪角度预测研究

针对火箭飞行异常下的遥测天线继续实时跟踪难的问题,提出一种飞行异常后的实时跟踪角度的预测方法.首先介绍几种常用坐标系以及坐标系之间的转换关系,并将火箭飞行异常后的运动简化为考虑惯性速度的自由落体运动,给出自由落体速度模型和实时跟踪角度的计算方法步骤.设计仿真实验,验证方法的有效性,可以作为火箭飞行异常后遥测天线实时跟踪...     

卫星编队飞行精确动力学模型与三维定位系统

提出采用精确动力学模型应用多颗编队飞行小卫星实现三维定位系统（电子侦察卫星）。为此,首先应用运动学和动力学两种方法建立精确动力学模型和摄动方程,然后进行数学仿真和队形变化的分析,最后讨论位置保持控制策略。仿真结果表明：编队飞行三维定位系统定位精度高,不受纬度影响,而且可以实现全球同时定位功能。
     

运载火箭多体动力学建模与仿真技术研究

针对新一代运载火箭结构动力学与控制系统耦合强烈、严重影响火箭的飞行稳定问题,提出一种基于多体动力学虚拟样机建模与仿真的方法,有效解决运载火箭姿态动力学模型地面难以验证的困难。首先阐述了在运载火箭姿态动力学分析中应用多体虚拟样机的基本思路;然后对多体动力学模型与传统火箭姿态动力学模型在建模原理上的差异进行分析,指出引入多体仿真技术的意义;最后针对新一代火箭,提出并实现一种多体虚拟样机建模方法,仿真并验证了新一代火箭姿态控制模型与控制参数设计的正确性。本文的研究表明,航天器系统设计中常遇到复杂的动力学耦合问题,采用多体动力学虚拟样机仿真是一种行之有效的方法。     

可控翼伞的飞行控制程序设计与运动仿真

文章介绍可控翼伞飞行控制程序的设计。以提高落点精度和减少操纵量为准则 ,设计了分阶段的归航控制程序 ,该程序中的关键参数运用仿真优化方法得以确定。为验证和改进翼伞飞行控制程序 ,构建了翼伞归航的可视化仿真环境。该仿真环境可以给出在设定条件下归航的仿真结果 ,包含翼伞系统运动轨迹的显示和统计分析结果 ,同时能直观地显示翼伞系统在三维场景中的归航过程。     

基于3DS MAX模型的无人直升机实时监控系统三维建模

分析OpenGL中三维建模的主要方法,结合共轴式无人直升机实时监控飞行系统的设计需要,得出利用3DS MAX的输出模型进行三维建模可以大大提高效率。分析3DS MAX主要输出文件的结构,指出OpenGL建模所需的要素。设计并实现了3DS MAX到OpenGL的模型转换模块,能够分离出3DS MAX场景中的三维模型,为在实时监控系统中再现3DS模型并构造监控飞行系统的三维场景提供灵活性。     

可控翼伞的飞行控制程序设计与运动仿真

文章介绍可控翼伞飞行控制程序的设计。以提高落点精度和减少操纵量为准则，设计了分阶段的归航控制程序，该程序中的关键参数运用仿真优化方法得以确定。为验证和改进翼伞飞行控制程序，构建了翼伞归航的可视化仿真环境。该仿真环境可以给出在设定条件下归航的仿真结果，包含翼伞系统运动轨迹的显示和统计分析结果，同时能直观地显示翼伞系统在三维场景中的归航过程。     

在轨服务的超近距离姿轨联合控制研究

对面向在轨服务的超近距离姿态轨道联合控制设计进行了研究。建立基于相对四元数的相对姿态运动动力学模型和基于相对运动轨迹设计的相对轨道动力学模型,考虑模型中姿态与轨道耦合,设计四元数反馈非线性控制律和具姿态反馈信息的最优实时闭环反馈控制律。数学仿真和半物理仿真试验结果验证了算法的有效性和可行性。     

基于立体视觉的航天器相对位姿测量方法与仿真研究

空间目标的相对位姿测量,是进行交会对接、绕飞监测、编队飞行等的前提.提出了基于立体视觉的方法,包括图像滤波、分割、连通区域标记、3D重建、相对位姿计算等步骤.并建立了仿真系统,该系统基于VC环境,将追踪星、日标星的3D几何模型、姿态动力学模型、相对轨道动力学模型、控制器/执行机构的数学模型,以及立体相机的成像与采集模型集成一体,可进行全闭环的仿真.仿真结果验证了算法的有效性.     

一种基于一致性理论的航天器编队飞行协同控制方法

为提高航天器编队飞行控制的协同性,研究了基于一致性理论的航天器编 队飞行协同控制方法。首先,讨论了航天器编队飞行中的一致性问题;其次,建立了航天器 编队飞行六自由度动力学模型;然后,应用一致性理论设计了非线性控制律,通过仿真验证 了控制方法有效,并且可以适用于动态的航天器编队飞行通信拓扑结构。
     

多星编队飞行的分散式耦合控制技术研究

以多星编队飞行为研究对象,建立了多星编队飞行的分散式相对姿态动力学和运动学模型,结合卫星编队飞行相对位置的非线性动力学模型,利用Backstepping方法设计多星编队飞行的分散式耦合控制器。采用了一种选择性控制策略,能够保证多星编队飞行的控制效率和抗故障能力。数值仿真结果表明了所设计的分散式耦合控制器的有效性。     

吸气式高超声速飞行器机体推进控制一体化建模方法研究

针对吸气式高超声速飞行器气动力、气动热、结构、推进、飞行轨迹以及姿态之间的多物理场强耦合给飞行控制系统设计带来的问题,提出一种适用于此类飞行器机体/推进/控制一体化设计的建模方法.首先,依据类乘波体高超声速飞行器基本外形参数体系设计飞行器的三维外形;然后在飞行器流场分析的基础上,给出飞行控制系统需要满足的姿态约束条件,并采用一套完整的工程预测方法建立了适合进行飞行控制一体化设计的气动力/推力耦合模型;最后基于拉格朗日方程推导了一体化弹性体动力学模型.模型算例验证了该方法在吸气式高超声速飞行器机体/推进/控制一体化设计中的可行性.     

基于气浮台的编队飞行地面试验建模与鲁棒控制器设计

为分析验证卫星编队飞行涉及的相对导航、制导与控制以及星间通信等问题,搭建了编队飞行的地面试验系统,采用了一块3m×4.5m的气浮平台和具有两个平动自由度和一个转动自由度的卫星仿真器分别来模拟低阻力的空间环境和编队飞行的卫星,相对导航采用了视觉相机和室内GPS两种方案,星间通信则通过蓝牙进行模拟。推导了描述仿真器间相对运动的包含参数不确定性的动力学模型,并基于此模型设计了带极点配置的鲁棒H∞控制算法,通过姿态同步和构型保持等仿真实验重点对编队飞行的相对导航、星间通信和相对状态控制进行分析验证,对实际的编队任务具有一定的参考和指导意义。     

高超声速飞行器的抗饱和切换控制

针对高超声速飞行器动力学模型强非线性及飞行过程中系统参数变化剧烈的问题,提出一种根据飞行包线分区并分别建立独立的子系统的切换系统建模方式和抗饱和切换控制方法。通过缩小子系统模型对应的飞行空域,降低系统线性化以及参数变化带来的影响,使得线性控制理论能够应用于高超声速飞行器的控制器设计当中。考虑到飞行过程中可能会遇到的执行器饱和问题,本文在切换系统模型的基础上,为高超声速飞行器设计了抗饱和切换控制器。仿真算例验证了提出的切换系统模型的优越性及抗饱和控制器的有效性。     

有外力作用的多臂自由飞行空间机器人协调操作动力学特性

利用牛顿-欧拉方法分析了有外力作用时多臂自由飞行空间机器人协调操作的动力学特性。首先推导出多臂自由飞行空间机器人协调操作的机械臂关节驱动力矩和关节角速度及角加速度间的关系，其次建立了多臂自由飞行空间机器人系统的动力学方程和动力学计算模型，经仿真分析得到了在不同外力作用下多臂自由飞行空间机器人的本体的位置干扰规律，验证了有外力作用下的多臂自由飞行空间机器人的动力学特性。