漂浮基空间机器人捕获卫星过程动力学模拟及捕获后混合体运动的RBF神经网络控制

 讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获目标卫星过程的碰撞动力学建模,以及捕获操作结束后空间机器人与卫星混合体的稳定控制问题。首先采用多刚体动力学建模方法并结合空间机器人捕获目标卫星过程中的碰撞动力学特性,建立了漂浮基空间机器人在轨捕获漂浮卫星过程的动力学模型,并在此基础上计算出完成捕获操作后空间机器人与目标卫星混合体关节的运动速度。然后针对卫星及空间机器人系统惯性参数均是未知的复杂情况,应用上述模型、神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了空间机器人与卫星混合体在捕获过程碰撞冲击影响下稳定运动的高斯径向基函数神经网络控制方案,以达到对捕获卫星的有效控制。此外,高斯径向基函数神经网络控制方案具有不需要测量和反馈载体位置、移动速度与加速度的显著优点。系统数值仿真证实了上述控制方案的有效性。     

轴向受载的高速球轴承的拟动力学分析

提出了对仅受轴向载荷的高速球轴承进行拟动力学分析以掌握滚动元件运动特性的方法。首先确定了钢球和套圈的滚动速度以及套圈相对于钢球的滑动速度，建立了各滚动元件的润滑模型，阐述了建立高速球轴承运动特性分析基本方程的一般原理。通过求解这些基本方程可得到高速球轴承中各滚动元件的运动状态、受力情况、弹流油膜厚度和疲劳寿命，从而可确定高速球轴承不打滑的最小轴向力。     

一种环境探测球形移动机器人的运动控制

 球形移动机器人具有结构紧凑、运动灵活等特点,在环境探测等应用领域具有独特优势。介绍了一种新型的、带有双摄像头的环境探测球形移动机器人BHQ-2的结构与运动原理,并对其运动控制问题进行了研究。由于该球形机器人属于非完整约束系统,其不存在位置级的运动学逆解,因此从速度级上讨论了它的运动控制问题。基于旋量理论推导了该球形移动机器人的速度雅可比矩阵,采用广义逆的解法求得了它的速度逆解,并采用可控性李代数证明了BHQ-2球形移动机器人系统是满秩的,因此该机器人系统是完全非完整的并且是可控的。基于运动学速度逆解对BHQ-2球形移动机器人进行了直线和圆形运动轨迹的仿真和实验,仿真和实验结果验证了该球形机器人的可控性及速度逆解的正确性。     

星球表面着陆巡视一体化探测机器人研究进展

针对深空探测领域星球表面着陆巡视一体化的探测任务需求,全面而简要地回顾了国内外星球表面着陆巡视探测任务的发展历程,概述了在着陆过程中减速和缓冲减振方法及移动探测情况,指出了传统着陆巡视系统存在系统复杂、可靠性低、着陆缓冲装置的质量和体积占比高、着陆后姿态无法调整等局限,对比分析了着陆巡视一体化机器人的优势。在此基础上,分别综述了腿式移动机器人、风力驱动球形机器人、小型跳跃机器人和张拉整体机器人等具备着陆巡视一体化功能的机器人的研究进展;对各类机器人的性能特点进行了对比分析并给出了各自的适用范围;最后展望了未来星球表面着陆巡视一体化机器人的发展趋势,探讨了未来有待于进一步深入研究的难题及可能的解决途径。     

滚动轴承保持架-滚动体接触动力学建模与接触特性

采用非线性弹簧单元、阻尼单元模拟保持架与滚动体之间的碰撞接触,并综合考虑碰撞接触、摩擦以及兜孔间隙等非线性因素,建立了滚动轴承动力学分析模型。通过动力学仿真研究了保持架与滚动体之间的碰撞接触特性及轴承载荷、转速对保持架接触特性的影响。研究结果表明:滚动体与保持架兜孔前、后端交替产生非连续性碰撞接触并造成保持架转速出现不规律的波动。滚动体与保持架兜孔前、后端接触力的最大值和保持架转速的波动范围随着轴承径向载荷的增加而减小,随轴承转速的增加而增大。所建立模型可为滚动轴承的设计及保持架的失效分析提供理论依据。      

火箭复杂分离连接结构的动力学仿真方法及应用

为了量化分析火箭分离连接结构接触、碰撞、变形等动力学过程对分离运动的影响,基于多柔体动力学建立了考虑弹性效应的分离仿真模型,确定了非线性有限元的求解方法,通过实例对分离仿真流程和应用方法进行总结和说明,并与刚体仿真分析以及地面试验结果进行了对比,结果表明考虑弹性效应的分离仿真结果与试验真实情况一致性好,此仿真方法可有效应用于工程研制。     

拦阻钩初次碰撞道面反弹动力学

分析了飞机着舰拦阻时,拦阻钩初次接触道面碰撞后被反弹的动力学成因,建立了飞机拦阻钩碰撞道面的弹跳模型。研究了下滑轨迹角和甲板角对拦阻钩碰撞反弹角速度和拦阻钩所受冲量的影响,并分别考虑了航母俯仰运动和甲板凸起物对拦阻钩碰撞反弹性能的影响。结果表明：轨迹角约4°时,拦阻钩反弹角速度和其所受冲量随下滑轨迹角呈线性变化;反弹角速度与甲板角的余弦成反比,道面冲量与甲板角余弦的平方成反比;航母向上的俯仰运动和甲板凸起物增大了拦阻钩反弹角速度,凸起物达到一定角度时,机身推拦阻钩的冲量变为拉拦阻钩的冲量。该模型的结果为机身和拦阻钩装置的设计提供了重要依据。     

结构参数对拦阻钩碰撞反弹动力学影响分析

针对新型舰载机拦阻钩设计初期技术人员关心的拦阻钩结构参数的选型问题,以某拦阻钩为研究对象,基于刚体碰撞理论建立了拦阻钩碰撞反弹动力学模型,研究了拦阻钩碰撞反弹的动力学特性。通过拦阻钩碰撞反弹试验对碰撞模型进行了参数修正,分析和对比了不同缓冲器安装形式下拦阻钩碰撞反弹特性,论述了重心位置、缓冲器油孔半径和初始压强对拦阻钩反弹动力学性能的影响,最后提出了一种拦阻钩缓冲器结构参数优化设计方法并进行了参数优化。结果表明：Ⅱ型缓冲器安装形式更优;随着拦阻钩重心位置距上铰接点长度增大,弹跳高度增大,缓冲器作用力减小;随着缓冲器油孔半径增大,弹跳高度增大,缓冲器作用力减小;初始压强增大,弹跳高度减小,缓冲器作用力增大。     

自由漂浮的空间机器人系统的动力学奇异特性分析及其运动规划

首先建立了受非完整约束的自由漂浮空间机器人系统的运动学模型,继而深入分析了系统的动力学奇异性,然后,重点探讨了基于 Lyapunov函数的空间机器人避奇异运动规划方法,最后给出了方法的实例仿真并分析了仿真结果。     

空间机器人双臂捕获卫星后闭链系统的滑模变结构控制

研究了双臂空间机器人系统捕获目标时发生碰撞的冲击效应及之后形成的闭链系统的稳定控制问题。针对具有漂浮基的空间机器人系统及目标系统,分别采用拉格朗日第二类方程及牛顿欧拉法分别建立其动力学模型。在双臂空间机器人捕获目标的过程中,利用力的传递关系及运动几何关系,分析了两者的瞬间碰撞冲击效应。对于两者接触后形成翻滚的联合体系统,结合闭环约束条件及总动量守恒原则,获得了闭链系统动力学方程;并设计了滑模变结构控制方案,以完成镇定运动控制。考虑到空间机器人闭链系统存在控制器冗余的情况,运用最小权值范数法,均衡分配各关节力矩。最后采用数值仿真实验模拟了碰撞冲击效应及镇定过程,并验证了上述控制方案的有效性。     

一种非链式非完整球形机器人的反步轨迹跟踪控制器(英文)

Spherical robot has good static and dynamic stability, which provides it with strong viability in hostile environment, but the lack of effective control methods has hindered its application and development. This article deals with the dynamic trajectory tracking problem of the spherical robot BHQ-2 designed for unmanned environment exploration. The dynamic model of the spherical robot is established with a simplified Boltzmann-Hamel equation, based on which a trajectory tracking controller is designed by using the back-stepping method. The convergence of the controller is proved with the Lyapunov stability theory. Numerical simulations show that with the controller the robot can globally and asymptotically track desired trajectories, both linear and circular.     

Fuzzy adaptive robust control for space robot considering the effect of the gravity

Space robot is assembled and tested in gravity environment, and completes on-orbit service（OOS） in microgravity environment. The kinematic and dynamic characteristic of the robot will change with the variations of gravity in different working condition. Fully considering the change of kinematic and dynamic models caused by the change of gravity environment, a fuzzy adaptive robust control（FARC） strategy which is adaptive to these model variations is put forward for trajectory tracking control of space robot. A fuzzy algorithm is employed to approximate the nonlinear uncertainties in the model, adaptive laws of the parameters are constructed, and the approximation error is compensated by using a robust control algorithm. The stability of the control system is guaranteed based on the Lyapunov theory and the trajectory tracking control simulation is performed. The simulation results are compared with the proportional plus derivative（PD） controller, and the effectiveness to achieve better trajectory tracking performance under different gravity environment without changing the control parameters and the advantage of the proposed controller are verified.     

Control of a Spherical Robot: Path Following Based on Nonholonomic Kinematics and Dynamics

This paper presents the controller design for the path following of a spherical mobile robot,BHQ-1.Firstly,a desired velocity for the reference path is deduced from the kinematic model,which cannot be transformed into the classic chained form.Secondly,a necessary torque for the desired velocity is obtained based on the dynamic model.As to the kinematics,a one-dimensional function is selected to measure the two-directional tracking error,and the velocity of rolling forward is reasonably assumed to be constant;therefore the multiple-input multiple-output (MIMO) system is transformed into a single-input single-output (SISO) system.As to the dynamics,both exact dynamics and inexact dynamics with modeling error as well as bounded unknown disturbance are taken into account,based on which a proportional-derivative (PD) controller and a sliding mode controller with adaptive parameters are proposed respectively.Finally,convergence analysis and simulation results are provided to validate these controllers.     

大滑速下合成润滑油的摩擦牵引力研究

本文采用部分弹性流体动力润滑理论和Ree—Eyring流变学模型研究了国产航空合成润滑油的摩擦牵引特性,获得了合成润滑油的牵引力系数随载荷、速度、材料、润滑油粘度及环境温度变化的规律。      

基于机器人柔性毛刷的空间翻滚目标消旋

设计了一种柔性减速刷消旋机构，将其安装于七自由度机械臂的末端，通过与翻滚目标帆板之间的接触碰撞进行消旋。利用绝对节点坐标法推导了柔性减速刷的动力学模型，并对其接触碰撞进行分析。针对自由漂浮空间机器人动力学建模和基座姿态的控制进行了研究，采用基于计算力矩法的滑模控制策略，对末端参数不确定的七自由度机械臂进行控制。滑模控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏等特点，确保了系统的全局鲁棒性和稳定性。有利于节省消旋时间，提高消旋效率。通过PD控制和滑模控制消旋仿真验证，该消旋策略能够成功消除初始旋转速度，消旋程度达90%以上，具有可行性与有效性。     

基于在线滚动LS-SVR的涡轴发动机混合预测控制

提出了一种串级PID+非线性模型预测控制(NMPC)的混合控制方案,用于涡轴发动机控制系统中。其中:主控制回路采用串级PID控制器以消除静差保证系统稳定;带约束优化的预测控制器则用于实时燃油补偿,以增强发动机系统对直升机功率需求的快速跟随能力。该预测控制器是基于在线预测模型实现,首先在VC环境下设计在线滚动最小二乘支持向量回归机(OSLS-SVR),在线训练高精度、实时性好的内嵌式预测模型,其测试精度可达3‰;而后利用该模型与序列二次规划(SQP)算法完成滚动优化,建立预测控制器;最后,在UH-60A直升机/T700涡轴发动机综合模型仿真环境下,通过模拟直升机大幅急速升降操作,验证了该混合预测控制方案对大扰动具有较强的抑制能力及鲁棒性,从而使直升机获得更好的机动性能。     

挠性航天器大角度机动的滑模变结构控制

考虑刚性主体上带有挠性梁的航天器，在建立挠性系统动力学模型的基础上，采用指数趋近率的滑模变结构控制策略进行大角度机动控制，并通过最优控制理论设计弹性稳态器抑制由于刚体运动而激发的弹性振动，数字仿真表明，提出的控制策略在实现旋转机动的同时，有效地抑制了弹性振动。     

具有时延的漂浮基空间机器人基于泰勒级数预测、逼近的改进非线性反馈控制

 探讨了本体位置与姿态均不受控的漂浮基空间机器人在时间延迟(简称时延)情况下惯性空间轨迹跟踪的控制问题.利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,分析、建立了漂浮基空间机器人完全能控形式的系统动力学模型及运动Jacobi关系.以此为基础,针对系统存在时延的情况,利用泰勒级数预测、逼近的方法,建立了适用于时延情况下控制系统设计的数学模型.利用该模型,提出了一种空间机器人在时延情况下的改进非线性反馈控制方案.然后运用Lyapunov第二类方法,结合范数以及图形分析的方法证明了在时延情况下整个闭环控制系统的渐近稳定性.文中提到的控制方案能够有效地克服系统存在时延的影响,控制漂浮基空间机器人末端爪手跟踪惯性空间的期望轨迹.系统数值仿真结果证明了上述控制方案的有效性与精确性.     

High-precision pose measurement method in wind tunnels based on laser-aided vision technology

The measurement of position and attitude parameters for the isolated target from a highspeed aircraft is a great challenge in the field of wind tunnel simulation technology.In this paper,firstly, an image acquisition method for small high-speed targets with multi-dimensional movement in wind tunnel environment is proposed based on laser-aided vision technology.Combining with the trajectory simulation of the isolated model, the reasonably distributed laser stripes and selfluminous markers are utilized to capture clear images of the object.Then, after image processing,feature extraction, stereo correspondence and reconstruction, three-dimensional information of laser stripes and self-luminous markers are calculated.Besides, a pose solution method based on projected laser stripes and self-luminous markers is proposed.Finally, simulation experiments on measuring the position and attitude of high-speed rolling targets are conducted, as well as accuracy verification experiments.Experimental results indicate that the proposed method is feasible and efficient for measuring the pose parameters of rolling targets in wind tunnels.     

障碍地形下的机器人轮足复合越障步态规划方法

为提高轮足复合机器人在障碍地形下的稳定性与通行效率,提出了一种轮足复合越障步态规划方法。首先基于轮足复合运动模式提出了一种机器人位姿调整算法,并给出了相应的足端轨迹方程与重心轨迹方程。其次基于轮足复合运动的运动学方程,给出了位姿调整阶段的轮速规划算法,使得每条腿足端轮子的滚动速度与足端的轨迹相匹配,以确保轮子在地面滚动时不发生滑动。虚拟样机仿真结果表明,应用该步态规划算法,机器人能够自主平稳地穿越障碍地形,从而验证了方法的有效性。