序列凸优化的小天体附着轨迹优化

针对小天体附着多约束轨迹优化问题,提出一种基于序列凸优化的轨迹优化方法。首先采用内球谐引力场模型对目标小天体附近的不规则引力场进行精确建模,内球谐引力场模型是对经典球谐系数法的改进,形式简单,计算量小,并且克服了经典球谐系数模型在形状不规则的小天体附近不收敛的问题。对于小天体附着多约束轨迹优化问题,通过约束松弛、线性化、离散化过程,转化为一个可以迭代求解的二阶锥规划问题（SOCP）,进而采用内点法进行解算。数学仿真结果显示,优化结果符合各项约束条件,以零速度到达了目标着陆点,且符合燃耗最优的优化目标。利用序列凸优化算法进行小天体附着燃耗最优轨迹设计,推导简便,计算速度快,精度高,具有应用价值。     

基于Sarsa(λ)强化学习的空间机械臂路径规划研究

针对目标特性未知的在轨操作环境,研究了典型空间操作机械臂的路径规划策略。采用Sarsa(λ)强化学习方法实现目标跟踪及避障的自主路径规划与智能决策,该方法将机械臂系统的每节臂视为一个决策智能体,通过感知由目标偏差和障碍距离程度组成的二维状态,设计符合人工经验的拟合奖赏函数,进行各臂转动动作的强化训练,最终形成各智能体的状态-动作值函数表,即可作为机械臂在线路径规划的决策依据。将本方法应用于多自由度空间机械臂路径规划任务,仿真结果表明新算法能在有限训练次数内实现对移动目标的稳定跟踪与避障,同时各智能体通过学习所得的状态-动作值函数表,具备较强的后期在线自主调整能力,从而验证了算法较强的鲁棒性和智能性。     

基于危险评估的自动紧急避撞控制策略

基于车辆危险评估机制,设计了一种集成制动和转向的汽车自动紧急避撞控制策略。首先结合车辆安全性和最优换道轨迹,分析了在紧急工况下车辆制动和转向避撞临界纵向距离,然后建立了基于模糊推理的危险评估模型,该模型输出的危险因子反映车辆发生碰撞的危险程度,并以此建立汽车自动紧急避撞控制策略。最后基于PreScan和MATLAB/Simulink的虚拟平台仿真验证该控制策略的有效性。结果表明自车在跟车行驶时,对比基于碰撞时间倒数(TTC~(-1))单一全制动无法有效避开障碍物的危险工况,该避撞策略能够通过制动和自主换道来避免车辆发生碰撞,提高了车辆安全性。     

无人水面艇自主导航技术

作为无人水面艇的关键技术之一,自主导航技术决定着无人水面艇自主航行能力的高低。结合无人水面艇在实际航行和作业过程中自主导航所面临的问题,对无人水面艇组合导航及完好性监测技术、协同导航技术、路径规划技术和环境感知技术目前的现状、不足和发展趋势进行了总结和分析。为了更加精确、可靠地进行安全导航定位,即插即用全源导航是无人水面艇可采用的一种导航方式,并在此基础上开展了组合导航完好性监测工作。多目标规划综合最优及基于分层策略的自适应路径规划方法是解决动态时变环境下路径规划问题的有效途径。深度学习、数据挖掘、信息融合等人工智能技术将在提高环境感知信息的本质特征表述、充分挖掘多元异构数据间的有效信息,以及构建信息全面、立体、可靠的三维环境模型方面发挥主导性作用。     

航天器多约束姿态机动时-虚混合域规划方法

针对姿态指向受限以及角速度和控制力矩有界等复杂多约束下航天器低能量姿态机动规划问题,首先提出了时-虚混合域的概念,即时域和虚拟域同步存在并且同步求解虚拟域姿态路径以及时域角速度和控制力矩。进一步地,建立时-虚混合域上非线性约束问题模型。然后,提出了时-虚混合域单点式非线性姿态机动规划方法,通过非线性参数优化和单点式路径分解置换规划求解得到姿态机动轨迹以及角速度和控制力矩曲线。仿真结果表明,该方法可以高效地解决多约束姿态机动规划问题,有效地降低姿态机动过程中的能量消耗,得到连续光滑的姿态机动规划结果。     

充液挠性航天器姿态机动控制的多目标优化

针对充液挠性航天器姿态快速机动、快速稳定的控制要求,为减小姿态机动对挠性附件振动和液体晃动的激发,设计了一种基于正弦型加加速度的姿态机动路径规划方法。为进一步提高姿态控制性能,提出了一种基于云多目标粒子群算法的姿态控制器参数和机动路径参数联合优化方法。以最小化充液挠性航天器三轴姿态达到指定指向精度的时间以及三轴姿态稳定度,构建多目标优化模型,并应用云多目标粒子群算法求取姿态控制器参数和机动路径参数的Pareto最优解。仿真结果表明:采用多目标联合优化算法得到的控制器与路径参数,能够有效减小液体晃动和挠性附件振动,显著提高充液挠性航天器大角度姿态机动的快速性和稳定性。     

基于自适应伪谱法的升力式飞行器火星进入段快速轨迹优化

针对升力式火星飞行器定点着陆任务的轨迹优化问题,给出了基于自适应伪谱法的快速优化算法.综合考虑探测器火星大气进入过程中的动力学约束、边界约束、路径约束以及控制约束条件,利用自适应伪谱法将轨迹优化问题转换为离散的非线性规划问题,采用序列二次规划算法进行求解,得到性能指标最优的进入轨迹.通过仿真验证,给出了实现火星进入过程燃料消耗最优的状态量和控制量轨迹.仿真结果表明,在Matlab中采用自适应伪谱法,能够在800s内采用267个配点,给出近似精度为10-6的火星进入过程中消耗能量最优的参考轨迹.      

复杂低空物流无人机路径规划

针对复杂低空物流无人机路径规划问题,考虑空域环境、运输任务等内外限制,以飞行时间、能耗及危险度最小为目标函数,建立多限制条件物流无人机路径规划模型,设计启发算法以快速解算路径。采用栅格法对规划环境表征,引入物流无人机性能约束确保路径可飞。针对A*算法存在的问题及物流无人机航空运输特色,引入栅格危险度因子、货物质量惩罚系数,增加飞行时间、能耗等代价以提升避障能力、降低成本。为匹配所提启发算法解算效率与精度,采用动态加权法对函数赋权。为筛除冗余路径点及保证平稳飞行,采用双向交叉判断法等对原路径优化平滑。为验证所提路径规划模型及启发算法的有效性,对比4种算法规划结果,分析栅格粒度大小与代价权重值对结果的影响。在既定的运输环境及物流无人机性能约束下,研究结果表明:所提算法与A*算法相比,保证了物流无人机飞行安全、能耗少,将飞行时间由406 s降至386 s,降低了5%;飞行路径点数为129个、栅格危险度因子为11.69,降低了姿态改变次数,保证了运输安全;当栅格粒度大小为5 m,代价权重值为0.4、0.1、0.5时,采用所提算法规划的路径最佳。      

一种基于概率路线图的月球巡航车路径规划算法

为提高月球巡航车自主探测时的安全,提出一种基于概率路线图(Probabilistic Roadmap, PRM)的改进路径规划算法.该算法基于距离变换地图,改善PRM算法的采样方式,控制采样点远离障碍物,使规划的路径远离障碍物,避免紧贴障碍物前进的危险情况,提高了月球巡航车自主探测过程中的安全程度.为评估路径的安全性,提出安全警戒系数和最小安全警戒系数两个安全指标,并在月球表面仿真环境下对A*,PRM和改进的PRM算法生成的路径进行安全评估.结果表明改进的PRM算法相较于A*算法,安全警戒系数和最小安全警戒系数分别提升了2.20 m,1.00 m;相较于PRM算法,安全警戒系数和最小安全警戒系数分别提升了1.68 m,1.00 m.改进的PRM算法不局限于月球巡航车的路径规划,还可以应用于对路径安全性要求较高的探索机器人和自动驾驶汽车.     

时间代价启发式多月基装备协同任务规划方法

针对月球科研站构建中优化整体任务用时的需求,提出时间代价启发式多月基装备协同任务规划方法。面向月球科研站构建过程中的原位和路径任务,构建双类型任务关系图,并提出多位置转移时间代价启发式策略引导此图的搜索方向,使规划器沿局部最短耗时任务路径逐个处理任务,降低装备路径转移的时间代价;提出时间代价启发式装备选择策略,从而均衡月基装备任务负载,缩短装备工作时长。最后,以包含资源开采、物料运输、设施建设等任务的月球科研站构建场景为例,对规划算法进行仿真验证。结果表明,此算法能够生成满足复杂约束的多装备协同规划序列。与传统规划方法相比,本文方法得到的月基装备任务序列冗余路径少、任务用时短,可实现多装备在多任务中的高效分时复用。