轮腿式火星探测机器人的多目标协同控制

火星探测任务要求机器人具有对未知的不规则地形的自适应能力和动态稳定性。针对轮腿式火星探测机器人,提出了基于运动学反解模型、车体姿态和轮壤接触力的多目标协同控制策略。通过车体姿态调整运动学建模、一阶低通滤波及腿部阻抗控制算法和基于腿部运动危险系数的重心高度调整算法,实现了车体姿态的跟踪控制、轮壤恒力接触控制和重心最优高度控制,提升了轮腿机器人在非结构地形中的自适应能力、运动稳定性及腿部运动空间的安全性。在MATLAB和UG中建立联合仿真模型,验证了控制策略的有效性。     

基于PSD的并联微定位平台位姿检测方法

位置姿态（以下简称位姿）检测是研究六自由度定位平台的技术难点之一,为了快速准确测量六自由度并联微定位平台的位姿,验证平台的定位精度,基于多片二维PSD光电位置传感器设计了六自由度光学位姿检测系统。依据几何光学理论,建立了六自由度位姿解算的数学模型。通过仿真计算,该算法可以快速准确解算六自由度定位平台位姿。进一步分析了该模型在考虑存在测量误差时的理论计算误差,结果表明,基于二维PSD位置传感器的六自由度光学位姿检测系统在解算六自由度定位平台位姿的同时,具备较高的测量精度。     

A heuristic cabin-type component alignment method based on multi-source data fusion

In cabin-type component alignment, digital measurement technology is usually adopted to provide guidance for assembly. Depending on the system of measurement, the alignment process can be divided into measurement-assisted assembly (MAA) and force-driven assembly. In MAA, relative pose between components is directly measured to guide assembly, while in force-driven assembly, only contact state can be recognized according to measured six-dimensional force and torque (6D F/T) and the process is completed based on preset assembly strategy. Aiming to improve the efficiency of force-driven cabin-type component alignment, this paper proposed a heuristic alignment method based on multi-source data fusion. In this method, measured 6D F/T, pose data and geometric information of components are fused to calculate the relative pose between components and guide the movement of pose adjustment platform. Among these data types, pose data and measured 6D F/T are combined as data set. To collect the data sets needed for data fusion, dynamic gravity compensation method and hybrid motion control method are designed. Then the relative pose calculation method is elaborated, which transforms collected data sets into discrete geometric elements and calculates the relative poses based on the geometric information of components. Finally, experiments are conducted in simulation environment and the results show that the proposed alignment method is feasible and effective.     

武装直升机瞄准线粗/精组合二级稳定技术

提出并采用一种粗/精组合二级稳定的新方案,用于对武装直升机多传感器光电综合制导系统瞄准线（LOS）及图象进行高精度稳定与跟踪。该技术的重要特征是采用挠性支承精稳反射镜组件以及粗/精多回路复合控制技术以获得高回路带宽和对扰动的大幅度衰减。用一个双自由度陀螺进行稳定及跟踪,有效地解决了粗/精通道的匹配与耦合。与传统的LOS稳定系统相比较,稳定精度提高近一个数量级。根据某型直升机振动频谱进行定频振动测试,目前的原理样机在35kg稳定负载下其稳定精度优于14微弧（RMS）,粗、精振幅衰减比大于8倍。     

基于DVD光学读取头的测微力计

为满足微纳米三维接触扫描探头测力的需要,提出了一种基于DVD光学读取头的测微力计。该测微力计由固定及微调支座、L形铜条、平面反射镜、DVD光学读取头和阻尼装置五部分组成。当力作用在L形铜条上时,贴在铜条上的平面反射镜会产生微小位移,该微小位移由DVD光学读取头来感测;通过建立被测力与平面反射镜微位移之间的关系,从而实现微小力的测量。用该测微力计对一个微纳米三维接触扫描探头的测力过程进行了测量,测量结果与对该微纳米三维接触扫描探头的有限元分析结果一致。     

NF-6风洞马赫数闭环控制系统设计研究

对NF-6风洞的概况进行了简要介绍,重点阐述了风洞马赫数测量、控制方式及流程,分析了控制系统的结构原理,建立了马赫数闭环控制系统。该系统利用静叶角度机构实现马赫数控制的粗调,通过PI算法控制压缩机转速进行马赫数二次细调。实验结果表明：马赫数控制精度可达0.002以下,实现了实验段流场马赫数的准确控制,控制策略是正确可行的,控制系统是可靠的。     

基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测

为了解决航空发动机涡轮叶片气膜孔几何特征参数有效检测手段缺乏、测量结果一致性差的问题,设计并搭建了基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测系统,提出了利用该系统对涡轮叶片气膜孔进行测量的方法,通过试验进行了方法验证。搭建的系统为多传感器测量系统,具备叶片接触与非接触测量、空间姿态定位及3D投影能力,实现了涡轮叶片全范围气模孔的测量。在试验中,选取高压涡轮叶片作为被测物体,应用该测量系统对叶片上的气膜孔进行了测量,计算得到了气膜孔直径、轴线角度及位置度的准确信息。结果表明：通过测量不确定度的分析评定可知,该系统对气膜孔直径、位置度的测量不确定度均小于0.01 mm,完全满足设计公差对测量仪器的精度要求,可以用于涡轮叶片气膜孔工程化测量。     

Grasping Strategy in Space Robot Capturing Floating Target

When the space robot captures a floating target, contact impact occurs inevitably and frequently between the manipulator hand and the target, which seriously impacts the position and attitude of the robot and grasping security. “Dynamic grasping area” is introduced to describe the collision process of manipulator grasping target, and grasping area control equation is established. By analyzing the impact of grasping control parameters, base and target mass on the grasping process and combining the life experience, it is found that if the product of speed control parameter and dB adjustment parameter is close to but smaller than the minimum grasping speed, collision impact in the grasping process could be reduced greatly, and then an ideal grasping strategy is proposed. Simulation results indicate that during the same period, the strategy grasping is superior to the accelerating grasping, in that the amplitude of impact force is reduced to 20%, and the attitude control torque is reduced to 15%, and the impact on the robot is eliminated significantly. The results would have important academic value and engineering significance.     

微小型飞行器惯性组合姿态确定与航路导航研究

构建了微小型飞行器(MAV)导航、制导与控制(GNC)系统。研究了微惯性导航测量单元零偏的温度建模及非正交误差的多位置标定补偿方法,提出微小型飞行器导航、制导与控制系统闭环条件下,利用导航、制导与控制回路的飞行状态特征信息的微惯性组合导航系统滤波算法,根据微小型飞行器飞行状态实时调整卡尔曼滤波器的观测噪声方差,有效提高了动态过程中姿态测量精度和微小型飞行器的飞行平稳度。完成了组合导航系统滤波算法验证飞行试验及自主姿态稳定和航路飞行试验。飞行试验表明:微小型飞行器实现了自主姿态稳定与长距离超视距航路点导航飞行,航路点导航误差小于30 m,惯性组合姿态确定与航路导航系统及算法满足微小型飞行器自主飞行对导航系统的需求。     

High precision attitude dynamic tracking control of a moving space target

On-orbit spacecraft face many threats, such as collisions with debris or other spacecraft.Therefore, perception of the surrounding space environment is vitally important for on-orbit spacecraft.Spacecraft require a dynamic attitude tracking ability with high precision for such missions.This paper aims to address the above problem using an improved backstepping controller.The tracking mission is divided into two phases: coarse alignment and fine alignment.In the first phase,a traditional saturation controller is utilized to limit the maximum attitude angular velocity according to the actuator's ability.For the second phase, the proposed backstepping controller with different virtual control inputs is applied to track the moving target.To fulfill the high precision attitude tracking requirements, a hybrid attitude control actuator consisting of a Control Moment Gyro(CMG) and Reaction Wheel(RW) is constructed, which can simultaneously avoid the CMG singularity and RW saturation through the use of an angular momentum optimal management strategy, such as null motion.Finally, five simulation scenarios were carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy and hybrid actuator.     

VSV调节机构阻滞力和调节精度的归因分析

基于ANCF方法和摩擦力的NURBS表达算法，构建了考虑装配间隙、尺寸公差、关键件柔性、热影响以及接触摩擦等因素的复杂VSV调节机构的刚柔耦合动力学模型，并依据部件空间分布关系和参数化表述开发了VSV调节机构的快速自动化建模流程，大大提升了建模效率。分别对VSV调节机构的单级模拟气动实验及热态联调实验状态进行了对比仿真，结果表明，所构建的VSV调节机构模型在阻滞力仿真方面具有较高的可信度，且气动力引起的摩擦力矩是造成机构阻滞力、角度调节迟滞和调节精度下降的主要原因，气动力矩对机构阻滞力和角度迟滞影响不明显，关键件柔性对阻滞力影响较小，但却是调节精度降低的内在因素。     

基于载体姿态测量的微伺服吊舱

针对微小型无人机光电吊舱对光轴稳定与目标跟踪的需求,研究了一种基于载体姿态测量的光学平台稳定技术.该技术利用吊舱基座上的速率陀螺测量机体三轴姿态运动,通过控制光学平台的俯仰和偏航两通道伺服系统实现对光轴的惯性空间稳定.该系统使用步进电机来当执行机构,根据步进电机的特性,可以推导得到控制量与转速的关系,由此省去了在一般捷联稳定技术中的微分测速环节,得出了一种新的基于前馈控制的不变性原理.设计了解耦指令分配算法,将一个两轴耦合系统,转换为两个独立的单轴系统.在单轴控制中,分别设计了比例控制及比例积分控制算法实现对光轴的稳定控制和跟踪.最后通过在Matlab/Simulink环境下的仿真,以及实际的摇摆台试验,证明了基于载体姿态测量的稳定技术能够实现微小型无人机光电吊舱的光轴稳定.     

敏捷卫星的联合执行机构控制策略

 针对对地观测敏捷卫星大角度快速机动、高控制精度的任务需求,提出了联合推力器与飞轮作为执行机构的控制策略。该控制策略综合利用2种执行机构的优点:推力器以前馈的形式提供机动过程中所需的主要力矩以实现航天器大角度的快速机动,而飞轮以反馈的形式提供精准的控制力矩以提高机动过程中的姿态控制精度。为补偿由于初始状态偏差和推力器输出力矩不准确所带来的控制误差,采用变结构控制设计了2种姿态跟踪控制器,使航天器能够渐进地跟踪上参考轨迹。并对姿态机动控制过程中,飞轮力矩及转速可能出现的饱和问题作了相应的修正。仿真结果表明了所提控制策略及所设计控制算法的可行性和有效性。     

面向飞机装配精准定位的状态感知技术

状态感知、实时分析、自主决策、精准执行是航空智能制造的特征。总结影响飞机部件装配单元定位精度的多种因素,并结合感知技术发展,深入分析部件装配单元的可感知因素及其获取方式,确定了部件装配单元可感知的关键要素:装配现场温度、定位器所受载荷、定位器位移、产品位姿。结合飞机机翼装配单元,设计感知信息获取方式。通过模糊优选方法,构建传感器型号优选模型,完成部件装配单元传感器选型。通过传感器测量偏差平均化的方法,构建多种类、多数量的传感器布局模型,确定部件装配单元传感器的数目与位置,完成了传感器布局设计。基于多传感器信息融合方法,设计多传感器信息融合模型,对感知的多源异构信息进行融合处理,并通过构建状态感知模型,实现对部件装配单元定位状态的直观表达。     

基于视觉的大尺度部件相对位姿实时测量方法研究

相对位姿是装配过程中的一项重要监控项。针对大尺度部件对接过程中的相对位姿测量需求,提出了一种基于视觉的相对位姿实时测量方法。该方法利用单目视觉技术,通过采集合作靶标的图像,实时解算大部段间的相对位姿,用于辅助大尺度部件的装配。首先,设计了一套相对位姿实时测量系统,包括搭载单目相机的视觉测量单元,以及用于辅助位姿解算的合作靶标;其次,对相对位姿测量的完整流程进行了研究,包含系统标定方法与实时位姿解算方法;最后,在实验室环境下对位姿测量系统的精度进行测试。试验结果表明,位姿测量系统在垂直于光轴方向的重复精度可达0.02mm,沿光轴方向重复精度优于0.2mm,输出位姿结果时间低于0.3s;对多测量单元组网测量进行了仿真计算,垂直于光轴方向的重复精度优于0.1mm,沿光轴方向重复精度优于0.2mm,输出位姿结果时间优于1.3s。试验结果表明,提出的方法可满足一般大尺度部件对接过程实时位姿监控与对接状态评估的需求。     

基于边缘相似性的异源图像匹配

异源图像匹配是视觉导航、多源图像融合分析的关键步骤之一。对于成像机理差别较大的异源图像,如SAR图像和可见光图像,采用传统的异源图像匹配算法难以得到满意结果。本文提出一种基于边缘相似性的异源图像匹配方法,首先分别提取待匹配图像的边缘特征点集;然后计算基准图的边缘距离场;最后基于边缘相似性模型,通过实时图边缘图和基准图边缘距离场计算边缘相似度,寻找相似度最大的变换参数即为最终匹配参数。采用SAR与可见光图对方法进行了测试,结果表明,这种方法能够快速可靠地实现异源图像匹配。     

功率谱密度(PSD)在评价超精密光学表面中的应用研究

用原子力显微镜对不同工艺下获得的超光滑反射镜基片进行了功率谱密度(PSD)检测,并对结果进行分析,以指导光学元件加工。     

扰动线运动对惯性系粗对准影响分析及优化方法

针对扰动线运动对惯性系粗对准精度影响较大的问题，通过分析惯性体坐标系下重力加速度积分矢量的物理含义，给出了受扰动线运动影响的惯性系粗对准的误差分析。并在此基础上提出了基于位移积分矢量构造定姿矢量矩阵的抗扰动粗对准算法，利用对速度积分矢量进一步积分得到的3个时间点的位移积分矢量构建姿态解算矩阵，抑制扰动线运动对粗对准精度的影响。仿真结果表明，该算法可有效减小扰动线运动影响下的对准结果振动幅值，能够快速收敛到满足精对准使用的精度范围，从而提高武器装备环境适应性。     

基于可观测度分析和增量因子图的多源融合导航方法

复杂动态场景下高精度导航定位是自主无人系统决策规划与控制执行的基础。在城市峡谷、隧道、地下或室内停车场等场景下，卫星信号弱甚至丢失，严重影响了惯性/卫星/视觉等多源融合导航的精度和可靠性。为主动适应动态场景变化，迫切需要设计一种适用于跨场景的多源融合导航系统。基于动态时变系统的可观测度分析，在线度量惯性/卫星、惯性/视觉等组合导航因子的可信程度，进而采用因子图融合导航框架，根据各组合导航因子的可信程度，主动优化因子构建和增量平滑过程，以实现多传感器自适应融合导航与可靠定位。实验仿真表明：基于可观测度分析方法，能够在线优化因子图计算过程，提升了多源融合导航系统的环境适应性和跨场景能力，保证了复杂动态场景下自主无人系统跨场景导航模式切换和连续可靠的导航定位。     

扰动线运动对惯性系粗对准影响分析及优化方法

针对扰动线运动对惯性系粗对准精度影响较大的问题,通过分析惯性体坐标系下重力加速度积分矢量的物理含义,给出了受扰动线运动影响的惯性系粗对准的误差分析。并在此基础上提出了基于位移积分矢量构造定姿矢量矩阵的抗扰动粗对准算法,利用对速度积分矢量进一步积分得到的3个时间点的位移积分矢量构建姿态解算矩阵,抑制扰动线运动对粗对准精度的影响。仿真结果表明,该算法可有效减小扰动线运动影响下的对准结果振动幅值,能够快速收敛到满足精对准使用的精度范围,从而提高武器装备环境适应性。