基于Krylov子空间法的柔性航天器降阶研究

带大型柔性附件的复杂航天器,其弹性变形通常用有限单元法描述.由于有限元节点坐标数目庞大将会给动力学方程求解和控制策略的实现带来巨大负担,因此对柔性太阳电池阵的动力学模型降阶进行研究.利用单向递推组集推导带太阳电池阵的航天器的刚柔耦合动力学方程,分别采用模态截断法、模态价值分析法和Krylov子空间法对太阳电池阵进行模型降阶,比较不同降阶模型和全有限元模型的动力学仿真结果.仿真结果表明,无论是否考虑大范围运动的影响,采用Krylov方法只需要较低的自由度就可以得到和采用有限元方法完全一致的结果.说明Krylov方法能够有效地降低航天器柔性附件的自由度,提高动力学仿真的效率,便于驱动控制的实现.     

桁架拓扑优化几何稳定性判定法和约束方案比较

为提高桁架结构几何稳定性的判定准确度和桁架拓扑优化结果的工程实用性,对桁架结构几何稳定性的判定方法和桁架结构拓扑优化问题中3种几何稳定约束方案的有效性进行了比较研究。首先结合简单桁架示例,对比了判定桁架结构几何稳定性的几种方法,给出评估桁架结构几何稳定性的一种简单流程;然后对处理桁架结构几何稳定性的3种常见约束方案,给出了对应拓扑优化问题的一个统一的半定规划（SDP）模型;最后结合算例讨论了3种几何稳定约束方案下的拓扑优化结果,说明了不同方案的有效性。结果表明,考虑附加载荷或全局稳定约束均不能保证优化后桁架结构的几何稳定性,但在约束值合理设置的情况下,考虑基频约束则可以保证。      

考虑绳阻尼的绳系并联机器人动力学特性分析

针对应用于风洞试验模型支撑的绳系并联机器人的设计需求,采用实验和理论建模相结合的方法,研究绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响。首先,为了准确地定量描述绳阻尼,设计了一套测量绳阻尼的实验装置,通过实验得到了不同参数下的绳阻尼比;其次,考虑了绳阻尼,对绳张力进行建模,并提出了考虑绳阻尼的绳系并联机器人的动力学建模方法;最后,分析了绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响。结果表明:绳阻尼对绳系并联机器人动力学响应的影响主要体现在响应幅值上,绳直径越大,绳阻尼对绳系并联机器人动力学响应的减振作用越明显。当绳阻尼系数大于0.6 N·s/m时,不论绳直径粗细如何,绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响不能忽略。研究结果可为绳系并联机器人的设计提供理论指导。      

一种圆柱物料装填机器人残余振动抑制方法

为提高载具内的物料装填效率,提出了一种在载具内受限空间中使用的新型圆柱物料装填机器人,并通过优化关节轨迹,对机器人末端残余振动进行抑制。首先,给出物料装填机器人的总体设计方案和工作流程。然后,结合物料装填机器人的结构特点,应用拉格朗日方法建立封闭形式的刚柔耦合动力学模型,并应用模态分析方法得到机器人末端动态响应计算方法。最后,以物料装填机器人关节残余弹性势能最小为优化目标,使用最大最小蚂蚁系统,对机器人关节轨迹进行优化,并对优化结果进行仿真验证。仿真结果表明,优化后的关节轨迹,在满足快速装填要求的基础上,可以降低约34.4%的关节残余弹性势能和约37.6%的机器人末端振动振幅。      

基于目标特性的航天器太阳光压面积计算方法

太阳光压是影响深空探测航天器轨道确定与预报精度最主要的摄动力.针对实际任务需求,采用了一种基于目标特性的光压面积建模与计算方法,根据航天器形状、尺寸、表面材料以及材料光学特性等信息,实现了分析型光压模型的建立与求解,提高了计算效率和精度,可快速计算目标在光照方向上的光压面积、投影面积以及光压比例因子等参数.通过长方体光压面积理论值与仿真值的对比,验证了该方法的准确性和有效性.针对复杂结构探测器开展了光压面积计算,可为深空探测航天器精密定轨中的光压模型解算、定轨及预报提供参考.      

基于自适应学习策略的改进鸽群优化算法

鸽群优化（PIO）算法已广泛用于无人机编队和控制参数优化等领域,但标准PIO算法容易陷入局部最优。提出了一种基于自适应学习策略的改进鸽群优化（ALPIO）算法。该算法引入了基于容差的搜索方向调整策略、基于自学习的候选者生成策略以及基于竞争学习的预测策略,通过增强种群的多样性,可提高算法全局最优概率,其已在8个基准函数上进行测试。仿真试验结果表明:所提算法在多峰函数优化问题中的收敛精度和收敛速度有了显著提升,并且能够更有效避免陷入局部最优解。      

升力体式浮升混合飞艇多学科设计优化

升力体式混合飞艇是全球远距离大载重运输的重要选择,随着全球贸易的发展,逐渐成为国内外的研究热点。作为航空宇航技术、新能源技术和高性能材料技术相结合的新概念飞行器,混合飞艇设计过程需对多个学科进行综合考虑和优化。为了将多学科设计优化（MDO）方法引入到混合飞艇的总体设计中,将其分解为能源子系统、气动和推进子系统以及结构和重量子系统。在子系统模型构建的基础上,提出具有自适应能力的基于响应面的并行子空间优化（CSSO-RS）算法,将重量平衡和能量平衡作为实现远距离载重运输的约束条件,并提出爬升、日间巡航、滑翔和夜间巡航的多阶段任务剖面,以充分利用太阳能电池、燃料电池和锂电池的优势,实现混合飞艇的最优化设计。优化结果表明:具有自适应能力的优化算法在精确度和计算效率上均有明显的优势,同时重量分配的结果也为混合飞艇结构轻量化设计和能源系统设计提出了更高的要求。      

舰载无人机滑行轨迹控制方法

舰载无人机是航母-舰载机系统的重要作战武器,实现舰载无人机在航母甲板上的自主滑行对于提高甲板作业效率具有重要意义。对舰载无人机滑行轨迹控制方法问题进行了研究。首先,描述甲板滑行任务的过程,在此基础上,建立滑行轨迹控制问题的数学模型,包括舰载无人机甲板滑行运动模型、滑行任务约束条件以及评价轨迹控制任务的性能指标。其次,考虑甲板环境和轨迹控制任务要求,基于模型预测控制思想,将在线滑行路径规划与轨迹控制结合,采用滚动优化方法计算出舰载无人机实际滑行轨迹,并且得到控制指令信号。最后,以“尼米兹”级航母为例,对不同停放位置舰载无人机起飞前的滑行轨迹进行仿真计算,结果表明了模型的合理性和算法的有效性。      

混沌多精英鲸鱼优化算法

针对无人机（UAV）的航迹规划问题,提出了一种基于混沌多精英鲸鱼优化算法（CML-WOA）的航迹规划方法。首先,在已知飞行环境下,建立3D飞行空间模型和航迹代价模型。通过引入罚函数,将有约束3D航迹规划问题转化为无约束多维函数优化问题,利用CML-WOA求解模型来获得最优航迹。其次,为克服WOA易陷入局部最优的缺陷,引入立方映射混沌算子改善初始种群,增强种群多样性,并通过自适应框架融入正余弦算法（SCA）,利用多精英搜索策略有效地提高了算法开发能力和探索能力。最后,使用贪婪策略保证了收敛效率。通过20个基准函数测试和航迹规划仿真实验对提出的改进WOA进行验证。结果表明:所提算法相对其他算法,寻优性能明显提升,具有较强局部最优规避能力和更高的收敛精度与收敛速度;能够稳定快速地规划出代价最少、满足约束的安全可行的飞行航迹。      

基于IFOA的MEMS加速度计无转台标定

为提高微机电系统（MEMS）加速度计的标定效率并降低对高精度转台的依赖,提出一种基于改进果蝇优化算法（IFOA）的MEMS加速度计无转台标定方法。首先,根据模观测标定法原理将加速度计标定问题转化为非线性函数优化问题。然后,针对经典果蝇优化算法存在的只能搜索正参数及搜索步长固定的不足,对味道浓度判定值及搜索步长进行改进,使改进后的算法具有全局参数搜索及可变步长2种性能,并利用Rosenbrock函数进行测试,结果表明,IFOA相比于经典果蝇优化算法具有全局参数寻优范围及更高的寻优精度。最后,将IFOA应用于求解加速度计待标定参数的非线性函数优化问题,并将结果与牛顿迭代法和粒子群优化（PSO）算法进行对比。仿真结果表明:IFOA在求解精度方面比牛顿迭代法提高了1~3个数量级;在运行稳定性方面比牛顿迭代法和PSO算法分别提高了30%和34%,在运行时间方面分别减小了15.2%和43.6%;在加速度计无转台标定方面具有良好的应用价值。