Multi-sensor control for precise assembly of optical components

In order to perform an optical assembly accurately, a multi-sensor control strategy is developed which includes an attitude measurement system, a vision system, a loss measurement system and a force sensor. A 3-DOF attitude measuring method using linear variable differential transformers （LVDT） is designed to adjust the relation of position and attitude between the spher- ical mirror and the resonator. A micro vision feedback system is set up to extract the light beam and the diaphragm, which can achieve the coarse positioning of the spherical mirror in the optical assembly process. A rapid self-correlation method is presented to analyze the spectrum signal for the fine positioning. In order to prevent the damage of the optical components and realize sealing of the resonator, a hybrid force-position control is constructed to control the contact force of the optical components. The experimental results show that the proposed multi-sensor control strategy succeeds in accomplishing the precise assembly of the optical components, which consists of parallel adjustment, macro coarse adjustment, macro approach, micro fine adjustment, micro approach and optical contact. Therefore, the results validate the multi-sensor control strategy.     

Finite-time sliding mode attitude control for a reentry vehicle with blended aerodynamic surfaces and a reaction control system

This paper proposes a finite-time robust flight controller, targeting for a reentry vehicle with blended aerodynamic surfaces and a reaction control system(RCS). Firstly, a novel finite-time attitude controller is pointed out with the introduction of a nonsingular finite-time sliding mode manifold. The attitude tracking errors are mathematically proved to converge to zero within finite time which can be estimated. In order to improve the performance, a second-order finite-time sliding mode controller is further developed to effectively alleviate chattering without any deterioration of robustness and accuracy. Moreover, an optimization control allocation algorithm, using linear programming and a pulse-width pulse-frequency(PWPF) modulator, is designed to allocate torque commands for all the aerodynamic surface deflections and on–off switching-states of RCS thrusters.Simulations are provided for the reentry vehicle considering uncertain parameters and external disturbances for practical purposes, and the results demonstrate the effectiveness and robustness of the attitude control system.     

基于视觉信息的无人机自主着陆过程姿态角简化计算方法

研究了一种基于地平面算法的无人机着陆过程中姿态角估算的改进方法。通过地面坐标系到摄像机坐标系的转换矩阵、机体坐标系到摄像机坐标系的变换矩阵、机体坐标系到地面坐标系的变换矩阵求解,确定无人机的姿态信息;利用无人机着陆过程中跑道的图像地平线和跑道数据等特征提取,在获取摄像机姿态角的基础上,计算无人机的滚转角和俯仰角,用跑道特征来估算无人机偏航角;通过矩阵变换解算出无人机的姿态角,并通过仿真进行了实验验证。该方法对摄像机的安装位置没有特殊的要求,解除了传统方法对摄像机安装位置的限制,简化了无人机姿态信息的求解方法。     

一种同步自旋卫星姿态控制优化方法

根据同步自旋卫星姿态的运动规律以及自旋卫星姿态的长期实测数据,建立了姿态变化规律方程,采用最小二乘方法求解姿态变化方程,实现对自旋卫星姿态预测,预测误差小于0.05..针对目前工程应用中姿态保持周期短的问题,结合姿态及轨道倾角变化规律,建立目标姿态选取的约束方程,并利用投影梯度法求解约束方程,寻求姿态保持时间长的姿态控制目标.实际应用结果表明：该方法可以延长姿态控制周期,使自旋卫星姿态保持周期达到1 a.     

基于高斯过程的航天器自适应滑模姿态控制

针对存在模型不确定性和外界干扰的刚性航天器,提出了一种基于高斯过程回归(GPR)的新型自适应滑模姿态控制算法。该算法具有自学习能力,在不同的姿态控制任务下都能够实现高精度、强鲁棒和高效率的姿态跟踪。首先,在航天器的四元数标称系统动态模型基础上,应用在线稀疏高斯过程回归(SOGP)方法学习系统的未知动态;其次,结合高斯过程的预测均值设计滑模控制算法,利用高斯过程的预测方差自适应调节控制增益,并应用李雅普诺夫方法严格证明闭环系统的稳定性,保证了航天器姿态跟踪误差的渐进收敛性;最后,通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性。结果表明,该自学习控制算法与自适应滑模控制(ASMC)与神经网络自适应控制等算法相比,具有更快的收敛速度、更高的跟踪精度以及更低的控制成本。     

卫星姿态的鲁棒反馈滤波器方法研究

针对传统卫星姿态估计过程中计算量大的问题,提出了基于控制反馈的卫星姿态鲁棒滤波方法,将滤波器的新息作为闭环系统的输入,由此可以分离动态滤波方程中的时变因素(卫星姿态角速度),再将时变因素作为系统的不确定性考虑,最终通过鲁棒滤波方法对线性时不变系统的最终稳态值进行求解。该方法可以通过陀螺与星敏感器的参数信息,提前离线计算出滤波器的相关参数,具有很强的工程可用性。仿真结果表明,在卫星存在旋转角速度时,三轴的估计精度(MSE)比不考虑系统时变因素的控制反馈滤波器分别提升了12%,21. 05%,4%。     

复杂环境下多无人机轨迹姿态协同控制

考虑多无人机在实际飞行过程中的避障需求，在建立面向控制的四旋翼无人机轨迹姿态模型基础上，为克服传统多无人机为每架无人机规划轨迹的不足，研究了基于多无人机中心点的轨迹设计策略。进一步，考虑避障约束，基于半定规划进行迭代区域扩张完成了多无人机的安全飞行区域及队形设计。在此基础上，基于干扰补偿策略为每架无人机设计了协同控制器，最终确保了多无人机在多障碍环境下的安全飞行。     

空间太阳能电站姿态运动-结构振动耦合建模与分析

针对多旋转关节空间太阳能电站构型，利用基于能量等效原理的连续体等效方法将其等效为柔性梁模型，并考虑重力梯度影响，建立了姿态运动与结构振动的耦合动力学模型；结合Runge-Kutta 法和Newmark法的优点，提出了适用于求解姿态运动与结构振动耦合动力学方程的改进算法，相比于经典Runge-Kutta 法大幅提高了效率；利用改进算法得到了不同参数下的动力学响应。在此基础上，推导了结构振动量级随结构尺寸的六次方量级增加的规律，仿真结果表明尺寸过大引发不稳定现象；分析了姿态运动和重力梯度对结构振动频率和振幅的影响；发现了姿态运动周期受结构柔性影响而增大的现象，这种现象在低轨以及大初始姿态角下影响更为明显。     

运载火箭捷联惯组全自主对准技术应用研究

我国运载火箭发射前通常通过光学瞄准确定初始方位角,采用捷联惯组自对准解算获取水平姿态角。以可实现简易、快速发射的新型火箭为背景,在发射场阵风等干扰引起箭体低频微幅晃动的环境下,研究了捷联惯组自主对准技术。分析了运载火箭全自主对准的特点,利用以惯性系为参考基准的解析对准法和卡尔曼滤波精对准方法,对高精度全自主对准技术和其在运载火箭上的应用展开了详细论述。开展了全自主对准试验验证,结合新一代运载火箭首飞数据进行了分析。结果表明:捷联惯组全自主对准技术可替代复杂的光学瞄准系统,实现运载火箭发射前初始姿态的确定。