亚轨道飞行器返回段动力学虚拟样机设计

为进行亚轨道飞行器返回段飞行仿真实验,详细划分返回段动力学虚拟样机层次结构,建立虚拟样机各子系统数学模型,并以此为基础在VPM（Virtual Prototype and Modeling）仿真平台上实现亚轨道飞行器返回段的动力学虚拟样机设计．使用现有的亚轨道飞行器总体方案在该虚拟样机系统上完成虚拟实验,仿真结果表明,该虚拟样机系统设计合理,可以为今后的亚轨道飞行器研制工作提供一定的技术支持．     

亚轨道飞行器任务中止再入轨迹优化设计

针对亚轨道飞行器上升段由于动力故障任务中止时再入返回的问题,考虑飞行模型简化和故障后的燃料处理方案,通过遗传算法优化设计最优返回轨迹,优化时选取经向飞行航程最远作为性能指标,并采用遗传算法,解决用于再入轨迹优化所涉及的关键问题,并进行仿真。仿真结果表明,方法不但满足飞行器返回过程中加热率、过载、动压约束以及终端状态约束,能够通过飞行航程最远消耗飞行器能量从而安全着陆,而且可以较快地搜索到全局最优解,能够用于亚轨道飞行器故障再入轨迹的优化设计。     

亚轨道飞行器进场着陆段控制方法研究

研究轨道系统在常用的飞行控制方法的基础上,进一步分析了亚轨道飞行器着陆段飞行的特点,为实现精确着陆,将进场着陆段分为纵向和侧向两个相互独立的运动来分别予以分析,并以内外回路的设计方法给出相应的控制规律,以X-34为模型,制定相应的控制策略,保证着陆时飞行器精确跟踪轨迹线。仿真结果证实方法可以对亚轨道飞行器进场着陆段进行有效的跟踪控制。大量仿真试验表明控制规律对于进场着陆是切实可行的。     

亚轨道飞行器再入段导航制导快速原型设计

为了加快亚轨道飞行器再入段导航制导系统从算法设计到硬件产品的实现过程,采用快速原型技术进行设计.借助基于RTX的快速原型开发平台,利用Matlab/Simulink/RTW将导航制导模型自动生成C代码,对自动生成代码做出相应修改以满足系统实时性要求,再编译链接生成可执行DSP代码,加载到DSP(数字信号处理器),实现了亚轨道飞行器再入段导航制导系统的DSP硬件在回路仿真.该系统的实时仿真结果与Simulink数字仿真结果一致,表明快速原型系统设计的正确性.该方法具有开发周期短、实时性能好等优点.     

大椭圆轨道伴飞初始化及保持控制方法

本文基于Lawden方程，得出了椭圆参考轨道周期性相对运动的解析描述，进而对周期性相对运动的运动特性进行了分析，同时研究了该方程解析解中积分常数对相对轨迹的影响。其次，本文给出了一种初始化方法，在无摄状态下使子卫星能够在母卫星的周围伴随飞行，以保持特定的星座构型。另外，本文提出了通过控制积分常数调整相对轨迹的脉冲控制方法，适用于大椭圆轨道，获得了满意的仿真结果。     

人造地球卫星的发射轨道

人造地球卫星由运载火箭发射入轨。从发射点到入轨点的飞行轨迹叫发射轨道。发射轨道包括垂直起飞段、程序转弯段和入轨段。垂直起飞段和程序转弯段都大同小异，但入轨段根据轨道高度的不同有直接入轨、滑行入轨和过渡转移八轨之分。     

轨道方程平滑方法在轨道预报中的应用

航天器的轨道预报和落点预报等信息处理对预报起始点的速度精度要求很高.由于非合作测量设备通常不具备测速能力,通常采用多项式平滑微分和卡尔曼滤波等传统方法计算的速度参数精度较差,造成航天器轨道预报精度不高.为提高航天器轨道预报初始点的坐标和速度参数精度,依据自由段轨道符合椭圆轨道方程这一事实,提出使用轨道方程来拟合航天器自由段轨道的方法,可以很好地消弱目标测量数据中随机误差的影响,提供稳定且精度较高的轨道预报结果.本方法可用于航天器轨道预报和落点预报的数据处理.     

基于混合粒子群算法的远程机动轨道优化设计

研究了粒子群算法在空间飞行器连续推力轨道机动最优化问题.为优化空间飞行器轨道,给出了空间飞行器轨道机动最优化控制问题模型,运动方程用地心惯性坐标系下建立;性能指标选为轨道机动过程中时间最小;控制变量为推力攻角;终端状态受到位置和速度的约束.针对粒子群算法的缺点,提出混合粒子群算法,即将全局寻优能力强的粒子群算法和局部寻优能力强的非线性规划相结合,以提高算法的搜索精度和收敛速度.并将其应用于连续推力空间飞行器轨道机动优化之中.仿真表明混合粒子群算法对于空间飞行器远程机动轨道初始参数取值不敏感,具有一定的鲁棒性,生成的轨道能够较好地满足各种约束条件,并可以应用于空间飞行器连续推力轨道最优机动问题的求解.     

绕月自由返回轨道的应急自主制导算法

嫦娥五号飞行试验器是我国首个采用绕月自由返回轨道飞行的航天器,为了提高其自主运行能力,嫦娥五号飞行试验任务的星上软件需要在出现入轨大偏差情况下,具备在轨自主应急制导策略生成与轨道重构的能力.针对此需求,本文提出了一种适用于在轨自主生成和实施的绕月自由返回轨道应急制导策略.该策略将应急制导策略自主生成问题转化为三体Lambert问题在轨自主求解问题.发展了经典三体Lambert算法,在原算法中引入Quasi-Lambert算法解决了算法边界条件问题.该算法计算量小、计算精度高,可直接瞄准再入点参数,可显著提升探测器的自主运行能力,对未来月球探测和载人登月任务有重要的应用参考价值.     

亚轨道可重复使用运载器再入姿态控制

研究运载器再入姿态稳定控制问题,亚轨道可重复使用运载器(Suborbital Reusable Launch Vehicle,SRLV)的再入,环境变化剧烈,非线性严重,系统的稳定性受到影响。针对传统控制器在飞行器大空域飞行、系统参数大范围变化时,控制能力欠缺的问题,提出了应用模型参考自适应的控制算法,对系统模型进行自适应控制,设计了SRLV再入返回段的姿态控制器。通过其在Matlab平台上进行仿真,结果表明,改进算法在环境参数剧烈变化和系统具有较强不确定性的情况下,能够对SRLV进行鲁棒、精确的控制,为运载器再入姿态控制提供了参考。     

Entry guidance with smooth drag planning and non-linear tracking

A guidance strategy is developed for the entry phase, meeting range requirements while honouring the constraints on heat flux, dynamic pressure and structural load on the vehicle. Space shuttle guidance is taken as the baseline and an improved strategy to plan and track a reference drag acceleration profile is developed. Trajectory planning is done in drag-energy plane. Drag acceleration and its derivatives are stored as function of specific energy. An analytical, continuous drag modulation strategy is developed for generating the reference trajectory on-board honouring the constraints. The modulated reference trajectory is tracked by a non-linear controller using Incremental Non-linear Dynamic Inversion technique (INDI). The guidance scheme is demonstrated in a short-range re-entry technology demonstrator vehicle. Simulation studies are carried out to establish the robustness of the guidance algorithm for a wide range of performance dispersions.     

基于不同趋近律的滑模控制相轨迹分析

对于采用单向辅助面滑模控制的二阶非线性系统,考虑到不同形式的趋近律和不同的初始状态,对其相轨迹的运行规律进行了研究,给出了切割面的概念和表示形式.根据相位轨迹的分布,分析了不同初始点和三种不同形式的趋近律对相轨迹的影响,同时讨论了相位轨迹通过两个切换面时的运动规律,分析了两条切换面的作用.仿真结果验证了相轨迹的分布规律和切割面的正确性.     

Coordinate frame free Dubins vehicle circumnavigation using only range‐based measurements

The paper presents a feedback control design that allows a Dubins vehicle to enter a circular trajectory using only range‐based measurements from the vehicle to the center of the trajectory. The controller is derived and analyzed based on a novel state space kinematic model, with the state that is composed of two continuous and one discrete state variables.The evolution of the discrete state variable is not completely defined by the model and the control design has to deal with the ambiguity of this value. Based on the conditions that need to be satisfied for the controller to work, the closed loop dynamics analysis can be performed based on 2D phase portraits, and it can be shown that the controller can work in the case of the bounded turning rate of the vehicle. The conditions define only bounds for the controller parameters and not their specific values. Therefore, the parameters can be selected based on the maximal working range of the controller and linear quadratic regulator design. The proposed control design is illustrated by 2D phase portraits and simulations describing the control implementation, which is based only on range measurements. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于轨迹段核密度的旅游车辆轨迹聚类算法

为了更好地研究旅游车辆的运营行为，需要通过分析车辆轨迹规律发现车辆运动的典型轨迹，轨迹聚类是其中重要的环节。对于使用传统的密度聚类方法处理大规模旅游车辆轨迹数据存在准确度差和效率低的问题，提出了一种基于轨迹段和核密度的轨迹聚类方法。采用核距离作为轨迹段相似度度量，利用类似DBSCAN算法对轨迹段进行聚类，得出旅游车辆运动典型轨迹。以北京市旅游车辆为例，采用基于轨迹段和核密度的算法对车辆轨迹进行聚类，能从一定程度上提高聚类的效果和准确率，为进一步研究旅游车辆的运营行为打下基础。     

基于稀疏轨迹聚类的自驾车旅游路线挖掘

针对自驾车游客加油轨迹稀疏,还原真实旅游路线困难的问题,提出一种基于语义表示的稀疏轨迹聚类算法,用以挖掘流行的自驾车旅游路线。与基于轨迹点匹配的传统轨迹聚类算法不同,该算法考虑不同轨迹点之间的语义关系,学习轨迹的低维向量表示。首先,利用神经网络语言模型学习加油站点的分布式向量表示;然后,取每条轨迹中所有站点向量的平均值作为该轨迹的向量表示;最后,采用经典的k均值算法对轨迹向量进行聚类。最终的可视化结果表明,所提算法有效地挖掘出了两条流行的自驾车旅游线路。     

Frame loads accuracy assessment of semianalytical multibody dynamic simulation methods of a recreational vehicle

The design of a vehicle frame is largely dependent on the loads applied on the suspension and heavy parts mounting points. These loads can either be estimated through full analytical multibody dynamic simulations, or from semi-analytical simulations in which tire and road sub-models are not included and external vehicle loads, recorded during field testing, are used as inputs to the wheel hubs. Several semi-analytical methods exist, with various modeling architectures, yet, it is unclear how one method over another improves frame loads prediction accuracy.

This study shows that a semi-analytical method that constrains the vehicle frame center of gravity movement along a recorded trajectory, using a control algorithm, leads to an accuracy within 1% for predicting frame loads, when compared to reference loads from a full analytical model. The control algorithm computes six degrees of freedom forces and moments applied at the vehicle center of gravity to closely follow the recorded vehicle trajectory. It is also shown that modeling the flexibility of the suspension arms and controlling wheel hub angular velocity both contribute in improving frame loads accuracy, while an acquisition frequency of 200 Hz appears to be sufficient to capture load dynamics for several maneuvers. Knowledge of these loads helps engineers perform appropriate dimensioning of vehicle structural components therefore ensuring their reliability under various driving conditions.

     

考虑侧倾的无人车NMPC轨迹跟踪控制

针对高速行驶工况下,无人车转弯时的侧倾易导致车辆模型非线性程度增加,引起轨迹跟踪精度下降和状态失稳的问题,设计一种考虑车辆侧倾因素,基于非线性模型预测控制(NMPC)的无人车轨迹跟踪控制器.根据拉格朗日分析力学和车辆运动学,考虑车辆侧倾几何学和载荷转移效应,建立考虑侧倾因素的非线性车辆模型,包括车体动力学模型和修正的“Magic Formula”轮胎模型;基于此车辆模型,构建非线性模型预测控制器(NMPC)的预测模型,并设定控制器的线性、非线性约束,以保证车辆的运动状态处于稳定区域内.在Carsim和Simulink联合仿真平台上,验证车辆高速蛇形工况和双移线工况下的轨迹跟踪控制效果,仿真结果显示,所设计的控制器可有效改善高速弯道工况下的跟踪精度和车辆状态稳定性.     

轨迹表示学习技术研究进展

基于地理位置信息的应用和服务的迅速发展对轨迹数据挖掘提出新的需求和挑战.原始轨迹数据通常是由坐标-时间戳元组构成的有序序列组成,而现有的大多数数据分析算法均要求输入数据位于向量空间中.因此,为了将轨迹数据从变长的坐标-时间戳序列转化定长的向量表示且保持原有的特征,对轨迹数据进行有效的表示是十分重要且必要的一步.传统的轨迹表示方法多是基于人工设计特征,通常仅将轨迹表示作为数据预处理的一部分.随着深度学习的兴起,这种从大规模数据中学习的能力使得基于深度学习的轨迹表示方法相较于传统方法取得了巨大的效果提升,并赋予了轨迹表示更多的可能性.本文对轨迹表示领域中的研究进展进行了全面的总结,将轨迹表示按照研究对象的不同尺度归纳为对轨迹单元的表示和对整条轨迹的表示两大类别,并在每种类别下对不同原理的方法进行了对比分析.其中重点分析了基于轨迹点表示的关键方法,也对近年来广泛使用的基于神经网络的轨迹表示的研究成果做了系统的归类.此外本文介绍了基于轨迹表示的关键应用,最后对轨迹表示领域的未来研究方向进行了展望.     

基于多项式的智能车辆换道轨迹规划

以智能车辆换道过程为研究对象,提出一种基于多项式理论的车辆换道轨迹规划算法。该算法采用矩形对换道车辆及障碍车辆进行包裹,结合换道车辆的边界条件由以时间为参数的多项式计算得到换道轨迹。由该算法生成的换道轨迹符合四段式车道变换模型,并适用于复杂道路环境。新算法将复杂道路环境中期望换道轨迹的求取问题转换为单一参数求取问题,简化了计算,同时考虑了车辆动力学限制对生成轨迹的影响。计算机仿真验证了算法的正确性及有效性,尤其是在复杂路面情况下体现了该换道轨迹规划算法的优势。