A review of topology optimization for additive manufacturing: Status and challenges

Topology optimization was developed as an advanced structural design methodology to generate innovative lightweight and high-performance configurations that are difficult to obtain with conventional ideas. Additive manufacturing is an advanced manufacturing technique building as-designed structures via layer-by-layer joining material, providing an alternative pattern for complex components. The integration of topology optimization and additive manufacturing can make the most of their advantages and potentials, and has wide application prospects in modern manufacturing. This article reviews the main content and applications of the research on the integration of topology optimization and additive manufacturing in recent years, including multi-scale or hierarchical structural optimization design and topology optimization considering additive manufacturing constraints. Meanwhile, some challenges of structural design approaches for additive manufacturing are discussed, such as the performance characterization and scale effects of additively manufactured lattice structures, the anisotropy and fatigue performance of additively manufactured material, and additively manufactured functionally graded material issues, etc. It is shown that in the research of topology optimization for additive manufacturing, the integration of material, structure, process and performance is important to pursue high-performance, multi-functional and lightweight production. This article provides a reference for further related research and aerospace applications.     

基于Lyapunov方法的双臂空间机器人避障碍分级非完整运动规划

以Lyapunov方法为基础,讨论了载体姿态与位置均不受控制的双臂空间机器人系统的避障碍分级非完整运动规划问题.该方法充分利用系统的非完整动力学性质,以系统动量矩守恒关系及运动Jacobi关系为基础,建立控制设计所需的系统状态方程及控制输出方程;并在Lyapunov函数的选取上采用两级采取方式,即初级Lyapunov函数确保双臂空间机器人的两个末端抓手从初始位置运动到指定的终点位置,次级Lyapunov函数则确保两个末端抓手避开工作空间中的障碍区域;两级合成则使双臂空间机器人的两个末端抓手既实现了指定的位置移动又避开了障碍区域.系统数值仿真,证明了方法的有效性.      

多维动态参数的多层Bayes融合估计

在多维动态参数的分层模型下，运用多层Bayes估计方法和离散线性模型状态估计方法，给出了动态参数的Bayes融合估计，并以飞行器试验分析的一些例子，说明方法的运用。     

欠驱动航天器姿态稳定的分层滑模控制器设计

利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第一层滑模面,利用Filippov等效定理求出等效控制律。然后依次构造出第二层滑模面及第三层滑模面,根据滑模控制原理求出切换控制律,进而得到总的控制量。利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理及推论证明了各层滑模面的全局渐近稳定性。仿真实验验证了该控制方法的有效性。     

多传感器组合导航系统分层融合算法

从信息融合角度来看，目前在组合导航系统中广泛应用的联合滤波算法居于两级式分布式融合结构。而分层融合结构作为多传感器信息融合的另一种重要的模式，在组合导航系统中应用尚未见报道。本文研究了多传感器组合导航系统的分层融合算法，重点与联合滤波算法进行了比较。以定理的形式证明了在一定条件下分层融合算法与联合滤波算法的等价性问题。进而提出了分层融合算法的部分反馈模式。仿真结果表明，部分反馈模式的有序分层融合算法可有效地应用于多传感器组合导航系统。在相同的容错能力和计算复杂性下，可以得到优于联合滤波的导航信息融合结果。     

基于分层策略的三维航迹快速规划方法

快速航迹规划能力是任务规划系统追求的目标之一。提出了一种基于分层策略的三维航迹快速规划方法。该方法分为两个层次：全局规划和局部规划。全局规划在综合利用战场信息的基础上,利用遗传算法规划出最优或次优的引导点集,该引导点列所在的区域为最优连通域,并且在该连通域内能找到可行航迹,全局规划利用引导点列大致指明了最优航迹的走向;局部规划根据全局规划提供的引导信息和战场信息,利用SAS(Sparse A Search)算法快速规划出满足攻击角度约束的平面可行航迹,高度规划采用速度较快的几何规划方法。仿真实验表明,该方法比SAS规划方法要快,且生成的三维航迹近似最优。     

空间绳系编队的动力学及稳定展开控制研究

以三角构型的空间绳系编队系统为对象开展了动力学特性分析和稳定展开控制研究。首先，针对以往编队动力学建模的精度问题，采用Lagrange法建立了系统动力学模型，建模时充分考虑了系绳的弹性，可在不增加计算量的同时保留系统的弹性特性。其次，根据所建立的动力学模型，定量分析了编队自旋稳定时自转角速度的范围，为之后的稳定展开控制提供理论依据。由于受制于执行机构精度和控制输入的限制，空间绳系编队系统是一个典型的欠驱动系统，采用分层滑模实现编队的稳定展开控制，仿真结果验证了该控制方法的有效性。     

基于病毒遗传算法的快速航迹规划方法

为了提高现有航迹规划系统的实时规划能力,对基于分层策略的航迹规划方法中全局规划部分进行改进,提出了基于病毒遗传算法的快速规划方法.分层策略的航迹规划包括全局规划和局部规划,由于对不同性质的约束条件分阶段进行处理,该方法降低了航迹规划的计算复杂度.但全局规划采用的标准遗传算法仍存在早熟和局部收敛慢的问题.针对这些缺陷,采用病毒遗传算法进行改进.结合航迹规划的领域知识,给出了病毒种群的编码方法并设计了特定的病毒感染算子,使航迹寻优效率得以提高.仿真实验表明,在相同约束条件下,该方法能更快生成满足战术要求的航迹.     

多变量线性时变系统的特征模型及自适应模糊控制方法

对于阶数及参数未知的高阶系统，如何设计一个工程上易于实现的低阶控制器，以实现有效的高性能控制，这是目前航天等领域亟待解决的问题。该文采用将对象特征和控制性能要求相结合的方法，对多输入一多输出高阶线性时变系统和一类非线性时变系统从理论上详细推导出了其特征模型，在此基础上设计了基于特征模型的稳定的自适应模糊广义预测控制方案。由于控制结构中使用了分层模糊系统，从而减少了模糊规则数目。通过对一个挠性航天器控制的仿真实验验证了所给方法的有效性。     

联合定轨技术发展综述及其在基于双星定位系统的近地卫星精密定轨中的应用

对联合定轨概念的产生与发展、联合定轨理论与方法的研究现状进行了综述，提出了一种联合定轨技术的分层次研究方法，并以基于双星定位系统的近地卫星精密定轨为例，重点讨论了基于模型结构层的联合定轨建模方法及实现算法.