空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

空间绳系机器人超近距视觉伺服控制方法

针对空间绳系机器人超近距视觉伺服中相对位姿无法测量的问题,在建立机器人视觉系统非线性量测模型的基础上,提出一种基于直线跟踪的混合视觉伺服控制方法,利用帆板支架边缘线图像特征跟踪相对位姿,利用基座具有较大误差的量测信息保证控制系统的稳定性。仿真试验结果表明：在仅能获得帆板支架边缘线图像信息的情况下,设计的超近距逼近控制方法能够保证空间绳系机器人稳定到达目标卫星的帆板支架处,并满足捕获条件。     

平流层飞艇蒙皮材料撕裂性能分析方法

针对平流层飞艇蒙皮材料初始损伤对于其撕裂破坏的影响,分析了国内外现阶段研究柔性层压织物材料双向撕裂扩展的四种方法及对应的经验公式,通过与某平流层飞艇蒙皮材料双轴向拉伸实验得出的试验结果比较,得出各个方法的优缺点及其应用范围,并指出泰勒公式对于蒙皮材料撕裂性能的研究较为适用。同时,针对不同初始损伤切口形状的蒙皮材料进行试验值与经验公式的对比,指出不同初始损伤切口形状可等效为切断同等尺寸的经向纱线所产生的影响,并分析了蒙皮材料撕裂强度的主要影响因素,对平流层飞艇高性能蒙皮材料撕裂性能的研究提供参考。     

亚暴偶极化中近地磁尾质子的非绝热加速

亚暴偶极化过程中离子加速是亚暴粒子注入的重要产生机制. 通过试验粒子的方法模拟研究了亚暴偶极化期间磁尾等离子体片-8R_e～-5R_e处超低频电磁波对质子的加速过程. 研究表明, 质子在大尺度偶极化电磁场的作用下向内磁层注入, 与质子回旋频率相近的超低频电磁波能够引起低能质子发生非绝热加速. 质子在偶极化前后的能量变化与质子的初始能量密切相关, 初始能量远小于截止能量的质子, 末能量要比初始能量显著增加, 其值与扰动波频率相关, 且量级与偶极化造成的低能氧离子能量增加量级基本相当; 初始能量在截止能量以上的质子受超低频电磁波影响不大, 注入过程能量基本保持不变.      

系绳辅助的行星际轨道捕获研究

针对深空探测中应用动量交换系绳辅助进行行星际轨道捕获时的系绳控制问题,首先对运行在目标行星双曲线飞越轨道上的探测器系统进行动力学建模,给出了一致性轨道捕获条件和系绳最佳切断点,并进行了动力学特性分析。考虑到子探测器捕获后的变轨需求及系绳收放速率的限制,提出了新的最优控制方法,并应用模拟退火算法进行了数值求解。仿真结果表明,系绳切断时指向恰当,子探测器距离目标行星最近,将有利于后续变轨;系绳最大收放速率约为30m/s,切实可行。     

基于虚拟仪器的阳极化电压控制器校准装置

本文介绍了基于虚拟仪器技术开发的阳极化电压控制器校准装置,对系统软件和硬件进行了分析,利用该校准装置能够实现对阳极化电压控制器的校准,满足飞机铝合金零部件阳极化表面处理的工艺规范要求。     

导航星座星间链路仿真分析

针对星间链路系统研制难度大、周期长、代价高的情况,设计并实现了一种星间链路全系统仿真架构。采用了“系统”+“信号”分步仿真架构,分析星间链路系统的星座构型、拓扑选择,重点研究可见性分析和链路优化问题,对星间链路信号的测量误差进行了详细分析,其仿真分析难度适中,易于实现,同时能够为工程研制人员提供完善的仿真分析,有助于提高研制效率。     

火箭发动机燃烧过程无记忆鲁棒镇定的积分不等式方法

研究了液体火箭发动机燃烧室燃烧过程的无记忆鲁棒镇定问题。通过构造适当的Lyapunov泛函并结合积分不等式变换技巧,将所得的非线性矩阵不等式转化为可解的线性矩阵不等式,导出了不确定时滞系统可鲁棒镇定的时滞相关条件。与现有方法相比,该方法不涉及模型变换技术,因而减少了理论与计算上的复杂性。同时在较大的参数变化范围内保证了燃烧过程的鲁棒镇定。最后通过数值仿真验证了其有效性。
     

大迎角分离流场在等离子体控制下的特性研究

设计了一种新型的大迎角主动流动控制方法.采用圆锥-圆柱组合体模拟飞行器前体,在靠近圆锥尖端处镶嵌了一对马蹄形单电极介质阻挡放电(Single-Dielectric Barrier Discharge SDBD)等离子体激励器,通过风洞实验研究了等离子体激励器在不同状态下对大迎角模型前体的非对称气动载荷的控制作用.实验结果表明,通过控制等离子体激励器的开闭可以使得圆锥-圆柱组合体在大迎角下出现的侧力改变方向.还对通过调节单侧等离子体激励器的激励电压实现圆锥前体侧力系数在正负极值间连续变化的可能性进行了初步的实验探索.     

有界双重控制导弹微分对策制导律

针对有界控制导弹采用鸭舵或尾舵单一控制形式存在的劣势,基于双边优化微分对策理论,推导了一种有界双重控制导弹微分对策制导律。该制导律不仅将鸭舵与尾舵两组舵面的控制有效融合在一起,而且实现了有界控制命令最优的分配设计。分析了该微分对策制导律的对策空间,并从弹目机动性能比和控制系统时间常数比之间的关系,给出了鞍点解的存在条件。考虑非完全信息情形,完成了目标加速度滤波器和拦截性能衡量指标的设计。采用Monte Carlo法进行了制导性能的仿真验证,结果表明:所设计的有界双重控制导弹制导律与采用单一的鸭舵控制或尾舵控制的导弹相比不仅机动性要求较低,且具有较高的命中概率。