一种基于实测飞行轨迹的惯导误差分析方法研究

针对传统蒙特卡罗仿真方法用于惯导误差分析时计算量大且参数调整不便的问题,提出了采用Kalman滤波的状态均方误差预测公式结合惯导误差传播方程进行误差协方差分析的新方法。该方法将惯导总误差分解为各种不同误差因素的线性组合,且各误差因素之间是相互独立的,误差计算和参数调整都非常简单方便。以一组实测飞行轨迹数据为例,利用所提协方差分析方法进行误差分解,并将结果以多种形式直观展示,显示了新方法在误差分配和精度评估中的优越性。     

大粘滞摩擦因数的永磁伺服系统自适应反步控制

对于粘滞摩擦系数大的永磁伺服系统,传统的自适应反步控制会导致参数辨识结果波动较大、不易稳定、转速跟踪性能较差。设计了一种实时辨识粘滞摩擦因数的自适应反步控制器,同时对转动惯量、负载转矩和粘滞摩擦因数进行辨识,提高了对粘滞摩擦因数较大系统的转速跟踪性能和转动惯量及负载转矩辨识精度。所提方法结构简单、易于实现,在dSPACE公司的DS1103系统试验平台上对其进行了试验验证,试验结果表明了所提方法的正确性和有效性。     

Longitudinal parameter identification of a small unmanned aerial vehicle based on modified particle swarm optimization

This paper describes a longitudinal parameter identification procedure for a small unmanned aerial vehicle(UAV)through modified particle swam optimization(PSO).The procedure is demonstrated using a small UAV equipped with only an micro-electro-mechanical systems(MEMS)inertial measuring element and a global positioning system(GPS)receiver to provide test information.A small UAV longitudinal parameter mathematical model is derived and the modified method is proposed based on PSO with selective particle regeneration(SRPSO).Once modified PSO is applied to the mathematical model,the simulation results show that the mathematical model is correct,and aerodynamic parameters and coefficients of the propeller can be identified accurately.Results are compared with those of PSO and SRPSO and the comparison shows that the proposed method is more robust and faster than the other methods for the longitudinal parameter identification of the small UAV.Some parameter identification results are affected slightly by noise,but the identification results are very good overall.Eventually,experimental validation is employed to test the proposed method,which demonstrates the usefulness of this method.     

平台自标定技术综述

误差标定及补偿是提高惯性系统实用精度的重要手段,尤其是平台使用前一次通电过程中的自主标定,由于排除了多次通电不重复性误差,更显示出十分理想的补偿效果。另外,平台自主标定摆脱了地面设备及其操作过程,包括能实现自主对准,对载体的机动性有重大意义。对目前的自标定技术进行了总结,主要对自标定中的标定模型、标定位置选择和参数辨识方法进行了分析,分析了自标定技术的研究重点和难点,展望了自标定技术的研究前景,指出了一种新的自标定技术研究方向——连续自标定方法。     

Identification of the state-space model and payload mass parameter of a flexible space manipulator using a recursive subspace tracking method

The on-orbit parameter identification of a space structure can be used for the modification of a system dynamics model and controller coefficients. This study focuses on the estimation of a system state-space model for a two-link space manipulator in the procedure of capturing an unknown object, and a recursive tracking approach based on the recursive predictor-based subspace identification (RPBSID) algorithm is proposed to identify the manipulator payload mass parameter. Structural rigid motion and elastic vibration are separated, and the dynamics model of the space manipulator is linearized at an arbitrary working point (i.e., a certain manipulator configuration). The state-space model is determined by using the RPBSID algorithm and matrix transformation. In addition, utilizing the identified system state-space model, the manipulator payload mass parameter is estimated by extracting the corresponding block matrix. In numerical simulations, the presented parameter identification method is implemented and compared with the classical algebraic algorithm and the recursive least squares method for different payload masses and manipulator configurations. Numerical results illustrate that the system state-space model and payload mass parameter of the two-link flexible space manipulator are effectively identified by the recursive subspace tracking method.     

基于信度规则库的惯性平台健康状态参数在线估计

 实时准确的健康状态预测是规划惯性平台系统及时、经济的维修策略的关键技术。由于平台系统的健康状态是不能够直接观测的,假设平台系统的特征参数监测数据是可以获取到的,而且平台系统的健康状态与特征量是相关的。基于信度规则库(BRB),以平台系统的状态监测特征参数作为BRB系统的输入,以平台的健康状态作为输出结果,组建了惯性平台健康状态预测系统。为了克服现有BRB参数优化方法的不足,实现实时状态预测,基于期望最大化(EM)算法,研究了健康状态预测系统的参数在线估计算法。该算法在获取系统新的输入输出信息后,就对参数进行更新。利用本文提出的方法对惯性平台系统的健康状态实时预测问题进行了实验分析,实验结果表明：该方法可以有效地实现惯性平台系统健康状态预测模型参数实时估计;与参数离线优化方法相比,该方法不仅在预测精度上,而且在运行时间上都具有明显的优势;在工程实际中有良好的应用潜力。     

线振动下惯导平台参数辨识的实现

研究了软性连接条件下线振动试验辨识惯导平台陀螺参数的方法。由于在此条件下原始模型不便用于辨识参数,为此提出了平台漂移的平均模型。对比静态模型指出了线振动对模型参数辨识的实质作用。由于利用平均模型来辨识平台参数存在参数冗余的局限性,因此利用两组不同幅值的线振动试验数据来进行辨识。最后验证了这种辨识方案不仅避免了静态条件下高阶陀螺参数难以收敛的问题,同时也解决了平均模型中参数冗余的局限性问题。     

结构在环境激励下的模态参数辨识

针对传统模态辨识方法存在的缺陷,研究了工程结构在环境激励下的模态参数的辨识问题。通过各点测试数据的协方差数据构成Hankel矩阵,运用随机子空间实现进行系统矩阵的辨识。经飞机模型的环境激励分析验证,上述方法具有理想的辨识精度,在大型结构的模态辨识领域,拥有广阔的应用前景。     

基于加速动态拉格朗日法的摩擦片阻尼分析

提出了一种可用于增强薄壁结构阻尼的波纹形片状干摩擦阻尼器，并利用一种改进的非线性动力学计算方法对其稳态响应特性进行了分析。首先通过两重减缩使非线性系统自由度变成接触节点间相对位移的形式从而降低矩阵规模，在高阶谐波平衡法的基础上引入了速度型动态拉格朗日法，并通过提供解析形式的雅克比矩阵来提高计算效率与数值稳定性，从而构成了用于预测非线性系统强迫响应的算法。在一个集中参数模型上用切向/法向刚度法与时域推进法这两种主流非线性计算方法对本文算法的合理性进行了验证。利用该算法对带有波纹形阻尼器的薄壁板结构进行分析，结果表明，摩擦片对薄壁板有很好的振动抑制作用，在质量仅占主体结构0.6%的情况下，能够使共振峰值下降75.4%。该算法表现出较高的计算效率，减缩模型使用和解析雅克比矩阵的引入使CPU时间减小到原来的0.5%以下。     

空间非合作目标惯性参数的Adaline网络辨识方法

空间在轨操作中,航天器在对空间非合作目标的抓捕行动常常导致航天器本体的姿态和空间轨迹发生变化。为克服空间非合作目标对航天器本体动力学、运动学的影响,使控制系统做出精准及时的姿控策略调整,确保航天器正常在轨工作和轨迹姿态的高精度,需对抓捕的非合作目标的惯性参数进行辨识。针对传统辨识方法依赖广义逆求解导致的辨识过程运算量大,且数值容易产生剧烈振荡,造成辨识结果不稳定等不足,采用基于归一化最小均方（NLMS）准则的Adaline神经网络方法进行空间非合作目标惯性参数的辨识。首先,基于动量守恒理论建立抓捕后的航天器-机械臂-空间非合作目标系统模型;然后将辨识方程的系数矩阵作为网络的输入和输出,空间非合作目标的惯性参数作为神经网络的训练权重,基于迭代步长可变的NLMS准则实现对目标惯量参数的快速、准确辨识;最后,在构造的ADAMS/MATLAB联合仿真平台上进行了验证。仿真结果表明,基于NLMS准则的Adaline神经网络是一种快速、准确辨识目标惯量参数的有效方法。     

基于冲击信号的滑动轴承摩擦故障监测方法

针对滑动轴承声发射（AE）信号干扰严重、故障信号难分离、轴承摩擦故障监测难的问题,从不同信号的激励源作用形式出发,根据冲击信号的工作脉冲特征,建立了分离相对容易的干扰信号与轴承摩擦故障的联系,提出一种基于干扰信号监测滑动轴承故障的方法。首先,依靠K均值奇异值分解（K SVD）字典对冲击特征的捕捉能力,确定冲击脉冲产生的时刻;为了锐化和增强冲击信号,通过Hilbert包络解调出冲击包络信号。其次,引入钟形脉冲参数,通过钟形脉冲拟合单个冲击包络信号,并进一步推导出冲击包络信号的强度简化计算公式,用于滑动轴承接触摩擦故障识别。最后通过实验模拟了滑动轴承切断供油后的轴瓦摩擦过程,与AE传统特征相比,所提特征更容易识别轴承的早期摩擦故障,能够完整描述轴承的摩擦的全过程,且计算效率更高,为滑动轴承接触摩擦故障诊断提供了一种新的途径。      

空间非合作航天器抓捕后姿态抗干扰控制

针对空间非合作航天器抓捕后存在未知不确定惯性参数的柔性组合体姿态稳定控制问题,基于中间状态观测器设计方法提出了一种新的姿态稳定抗干扰控制方法,同时考虑了诸多扰动及控制输入受限问题。研究结果表明,传统的姿态稳定控制方法需要已知柔性航天器惯性参数信息及状态信息,上述信息未知情况下会使姿态难以高精度稳定控制,且容易导致控制输入不满足受限要求。针对该问题,考虑控制输入幅值及变化率受限前提,提出了一种基于中间状态观测器的抗干扰控制方法,通过引入辅助变量构造新型中间状态观测器,同时估计组合体状态信息及综合干扰,设计出了一种新的组合体姿态稳定抗干扰控制器。通过Lyapunov稳定性分析方法证明了所设计的控制器能够保证闭环系统的全局渐近稳定性。相比于已有的混合H₂/H_∞控制器,所提出的抗干扰控制器在应用时不需要柔性组合体的姿态及模态信息,并且也不需要惯性参数的辨识过程。最后,通过给定参数进行仿真对比,进一步验证了所设计控制器的有效性和优越性。     

Finite element analysis of dynamic stability of bearingless rotor

Dynamic stability equations of bearingless rotor blades were investigated using a simplified model.The aerodynamic loads of blades were evaluated using two-dimensional airfoil theory.Perturbation equations were obtained by linearization of the perturbation.A normal-mode approach was used to transform the equations expressed by nodal degrees of freedom into equations expressed by modal degrees of freedom,which can reduce the dimension of the equations.The stability results of rotor blades were presented using eigenvalue analysis.The shape function matrix was obtained using spline interpolation,which simplified the analysis and made assembly of the inertial matrix,damping matrix,and stiffness matrix a simple mathematical summation.The results indicate that the method is efficient and greatly simplifies the analysis.     

箭载SINS快速自对准技术

为适应运载火箭快速发射需求,捷联惯导系统采用自对准技术逐渐取代了复杂的光学瞄准系统。针对初始对准中Kalman滤波器收敛缓慢的问题,提出了基于低通滤波的运载火箭快速自对准方法。该方法基于凝固惯性系自对准算法,采用移动窗双矢量构造方案,实现了自对准实时解算。通过在凝固惯性系间姿态转换矩阵后端引入低通滤波器,降低杆臂效应引起的有害加速度影响,保证自对准精度。该方法不需要进行复杂的Kalman滤波运算,能够快速收敛,工程实现简单。数字仿真和试验数据表明,采用基于低通滤波的凝固惯性系自对准方法可以达到Kalman滤波对准同等级精度的同时缩短对准时间到5min以内,验证了该方法的有效性。     

参数不确定空间机械臂系统的增广自适应控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基两杆空间机械臂系统的控制问题,为此对系统的运动学、动力学作了分析。结果表明 :结合系统动量守恒及动量矩守恒关系得到的系统广义Jacobi关系、以及系统的动力学方程将为系统惯性参数的非线性函数。证明了借助于增广变量法可以将增广广义Jacobi矩阵以及系统动力学方程表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数。在此基础上,给出了系统参数未知时,空间机械臂末端抓手跟踪惯性空间期望轨迹的增广自适应控制方案。通过仿真运算,证实了方法的有效性。     

An LS-TLS-based sequential identification algorithm: Application toan accelerometer

Total least squares (TLS) parameter estimation is an alternative to least squares (LS) estimation when there are errors in both data matrix and observation vector. Especially, when some of the columns, not all, of the data matrix A are free of error, we call it a mixed LS-TLS problem. Accordingly, a sequential algorithm for solving a mixed LS-TLS problem is proposed here. The proposed algorithm employs an efficient algorithm to locate the minimum eigenpair, instead of singular value decomposition (SVD) which is computationally exacting. The proposed algorithm is applied to an accelerometer model to identify error parameters which are very important in inertial navigation systems (INS)     

惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究

针对自由漂浮空间机器人系统惯性参数不确定问题,提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程,进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力学法的自由漂浮空间机器人自适应控制器设计中,利用标称控制器离线固定控制参数与补偿控制器在线补偿方法,既可以保证惯量矩阵可逆,又可以使控制参数实时估计。采用Lyapunov方法的稳定性分析表明系统是稳定且渐进收敛的。最后,应用该控制方法对两杆平面自由漂浮空间机器人进行了仿真研究。仿真结果显示自由漂浮空间机器人末端执行器在笛卡儿空间具有良好的轨迹跟踪能力。     

置信度检验法在新测量船船姿故障诊断中的应用

为解决惯导设备数据异常而状态码未及时更新所导致的设备状态无法判断的问题展开研究。基于新测量船分布式惯导的安装设计,分析了如何通过坐标转换的方式,计算得到冗余的船姿数据。根据冗余船姿数据的特性,采用置信度检验法对各姿态测量设备进行检测,建立了设备可信任度矩阵,并将矩阵元素与对应设备进行标志,可以通过分析矩阵元素有针对性地进行船姿故障诊断,并对检测过程中可能会产生的矩阵特性做了分析说明。最后,在某次任务惯导实测数据的基础上,仿真了横摇数据的漂移,并通过置信度检验法对其进行检验,实验结果验证了方法的正确性。     

高速开关阀控电液位置伺服系统自适应鲁棒控制

为研究高精度的液压缸位置跟踪控制问题,设计了高速开关阀和换向阀组合控制液压缸的结构方案,并通过实验分析了高速开关阀的静态流量特性。建立了液压缸的连续可微摩擦模型,利用粒子群优化算法对其参数进行辨识。建立了系统的非线性数学模型,基于非连续参数映射和反步法设计了直接自适应鲁棒控制器,通过参数在线自适应调节来更新估计值和鲁棒反馈项支配参数不确定性,实验结果表明:在跟踪幅值为5mm,频率为0.4Hz的正弦信号时,最后一个周期的最大跟踪误差、平均跟踪误差及其标准差分别为0.638、0.25mm和0.405mm,与传统PID控制器相比,控制精度显著提升,旨在为实现高精度的数字阀控位置伺服技术提供有价值的参考。      

基于预测脱靶量的远程拦截速度增益导引

 针对拦截器使用耗尽关机固体燃料发动机的情况,设计了大气层外目标拦截的速度增益导引方法。导引律中根据Lambert导引确定指令推力方向初值,利用剩余速度增量信息,计算惯性速度增益下的预测脱靶量,使用Kepler轨道摄动方程计算消除脱靶量所需的速度增益修正,根据惯性速度增益和速度增益修正之和确定指令推力方向。给出了一种计及J2项引力摄动影响的滑行段弹道预测半解析方法,减少导引律运算量,降低导引方法误差;导引律中引入了剩余速度增量测量环节,增强了导引精度对推进系统参数的鲁棒性。与传统的通用能量管理（GEM）导引相比,采用该导引律拦截远程目标时指令推力方向平稳、变化范围小,脱靶量降低了两个数量级。