亚轨道飞行器初期返回段轨迹设计研究

针对亚轨道飞行器初期返回段不确定性导致末端落点散布范围较大、从而无法满足TAEM段窗口的问题,提出一种基于轨迹数据库的轨迹设计方案。给出纵向质点动力学方程,研究不确定性和约束条件对轨迹设计的要求;在充分考虑飞行器飞行能力的前提下,根据SLV进入初期返回段时的状态规划速度-迎角剖面,同时分析不确定性对轨迹设计结果的影响;通过将不确定性重新组合进行轨迹数据库设计。综合仿真表明：采用该方法进行轨迹设计不仅可以满足动压和过载等过程约束以及终端约束,并且对不确定性具有良好的适应能力,具备一定的实用价值。     

数控加工刀位点精简及相邻轨迹一致拟合方法研究

针对刀位点从CAM离散后有大量冗余点,直接拟合会带来计算负荷等不足。为此采用刀位点精简方法,对刀位点根据误差阈值选取特征点。设定距离阈值,搜索这一段的最小距离,如果最小距离小于阈值,两个端点压缩成一个中点,以此得到的特征点采用离线的样条拟合得到数控加工轨迹,使之能保证拟合的相邻刀位轨迹一致。以一个鼠标模型一行刀位轨迹为例,采用不同方向精简刀位点方法,和所提出的相邻刀位轨迹拟合方法对比,采用不同方向精简刀位点拟合方法,拟合的刀位轨迹不平行,提出的方法能保证相邻轨迹的一致,验证了方法的有效性。     

指定运行轨迹小车的转向凸轮设计与验证

中国大学生工程实践与创新能力大赛中以重力势能或以热能为动力行进方向可自主控制小车是工程基础赛道常见命题，即设计并制作一辆在不触碰障碍桩和四周挡板前提下按照一定轨迹运行的驱动小车。这种小车的转向设计常采用能够实现复杂运动轨迹和规律的凸轮机构。针对这类小车提出一种通用的转向凸轮设计方法，该方法以微分思想将小车的运行轨迹曲线转化为由多点构成且相邻两点连线而成的曲线，然后将这些点导入MATLAB程序中能够生成凸轮轮廓和前后轮轨迹曲线。根据不同运行轨迹以及车身结构参数生成与之对应的凸轮轮廓，同时对比不同结构参数下的凸轮的轮廓以及前后轮轨迹得出最优的小车结构参数。最后将得到的转向凸轮安装在小车上，经验证小车运行平稳，运行距离长，运行轨迹重复性良好，运行精度高，说明了转向凸轮的设计思路以及方法的正确性。为参加中国大学生工程实践与创新能力大赛的参赛人员提供指导，也可对其他特殊功能的特种车辆提供思路。     

2自由度绳索牵引并联机器人的高速点到点轨迹规划方法

合理的轨迹规划方法可以提高机器人运动控制的平稳性、快速性和工作效率。当前绳索牵引并联机器人的轨迹规划方法主要采用多项式函数和三角函数满足平稳性要求,但规划算法复杂、快速性较差。针对一种2自由度绳索牵引并联机器人,根据动力学模型推导绳索拉力的单向性约束条件,提出一种新的点到点轨迹规划方法——S型-梯形组合规划方法。考虑到具体的点到点轨迹包含若干个需要依次到达的目标点,构成起始段、中间段和终止段三种不同的运动段,故采用S型-梯形组合规划方法分别设计这三种运动段的速度曲线,使得机器人在起始点和终止点的加速度为零,而中间若干点的加速度不为零,实现动态轨迹规划。仿真试验表明所提出的规划方法不仅可以满足绳索拉力的单向性约束条件,且加速度为简单的一次曲线,可以实现高速的点到点运动。     

关节空间样条的连续点位运动规划算法

为了提高工业机器人的运动平稳性和快速性,保证机器人在走曲线时能够准确到达各示教点并且实现平滑过渡,提出一种基于关节空间样条的连续点位运动规划算法。以关节空间的单个轴为例,从一般三阶S曲线轨迹出发,为了保证规划得到的加速度不跳变以及样条曲线能够保形,在两个相邻示教点之间插入n个中间点,将一段轨迹分为n+1段,根据该关节起点和终点的位置、速度和加速度以及插入点位置、速度、加速度连续的边界条件,可以得到新的规划轨迹。最后通过实验比较验证,该规划算法能够快速实现过程点的准确到达并且加速度没有跳变、曲线能够保形,具有实际推广价值。     

复杂型腔无退刀环切刀具轨迹连接方法

为克服传统环切轨迹连接方法的不足,提出了一种简单有效的环切刀具轨迹连接方法.在该轨迹连接方法中,轨迹环被组织成区域树的形式,区域树的每个节点对应一次偏置操作的结果;为了编组轨迹环,利用轨迹环间的嵌套关系将区域树剖分为轨迹簇,进而利用过渡点和虚过渡点完成了轨迹簇的连接,形成了子轨迹;合并了多条子轨迹,以使生成的轨迹完全没有退刀.利用无需额外计算的区域树,改善了传统无退刀轨迹连接算法在处理大规模问题上的效率.     

基于3-5-3多项式插补的六轴机器人轨迹优化

为了解决3次多项式轨迹规划仅能保证位移和速度保持连续,无法保证加速度保持连续,且各关节加速度轨迹在起始点存在跳变,在末端点均不为0,容易造成关节电机启停抖动的问题,提出了一种基于3-5-3多项式插补轨迹规划控制方法。在3次多项式轨迹规划的基础上,通过插入2个插值点时间t,将路径划分为3段,根据设置的插值点时间t计算得到插值函数的系数a和插值函数的表达式。实验结果表明,引入3-5-3多项式插值函数后,各关节的加速度运算能够保持连续,各关节加速度轨迹能够保证在起始点和末端点均为0且不存在跳变,可以避免启停时产生抖动的问题,保证多轴机器人启停时的稳定性。     

基于贝塞尔曲线的机器人非时间轨迹跟踪方法

在复杂环境的轨迹跟踪过程中,针对移动机器人不确定时延导致控制品质下降问题,提出基于五次贝塞尔(Quintic Bezier)曲线的移动机器人非时间参考轨迹跟踪控制方法。首先,利用Quintic Bezier曲线对规划路径点进行平滑,并根据连续约束进行优化,完成多段Quintic Bezier曲线的光顺拼接,获得平滑且连续的轨迹;而后以Quintic Bezier曲线参数u作为中间映射量,构建路径长度与轨迹坐标间的状态映射模型,设计移动机器人非时间运动参考量;在此基础上,根据移动机器人运动学模型,提出一种奇异点旋转映射技术,消除奇异点对轨迹跟踪控制品质的影响。实验结果说明,所用方法能提高规划路径的平滑性与连续性,增强移动机器人不确定时延跟踪控制的鲁棒性,避免了奇异点的影响。     

融合侧翻稳定性的SUV换道轨迹规划方法研究

针对运动型多功能汽车(Sport utility vehicle,SUV)换道过程中侧翻安全问题,提出融合侧翻稳定性的SUV换道轨迹规划方法。建立三自由度车辆动力学模型,推导SUV侧翻稳定性及侧滑稳定性评价指标。采集自车状态及环境信息,将换道轨迹规划分成预规划和重规划两个阶段;预规划阶段采用五次多项式模型生成横向轨迹簇,重规划阶段考虑周围车辆动态变化,生成包含自车纵向速度信息的轨迹簇。融合侧翻稳定性指标、侧滑稳定性指标以及双圆拟合的车辆外形最小距离,构建代价函数;进行轨迹簇碰撞筛选、稳定性筛选及轨迹选择。运用内点惩罚函数进行轨迹优化,求解最优轨迹。选取两种典型工况进行换道轨迹规划仿真,结果表明SUV沿着该方法规划的轨迹行驶可完成换道躲避障碍物,且横向位移小、换道效率高,可有效避免侧翻危险。     

多足机器人混合驱动机构的特定轨迹分析与实验研究

引入混合驱动机构的多足机器人能够实现快速移动,同时具有良好的灵活机动能力。针对该类基于混合驱动机构的多足机器人腿部机构的足端轨迹运动控制问题,首先进行了混合驱动七杆机构的运动学分析,得到了机构末端点的轨迹曲线簇;然后利用线性插值方法寻找特定轨迹与轨迹曲线簇的近似交点序列;进而推导出相对应的曲柄角度和丝杠长度序列,从而控制曲柄电机和丝杠电机的运动实现特定足端轨迹。以直线轨迹和大跨步轨迹为例进行实验研究,其结果表明实际轨迹与理论轨迹的吻合程度较高,误差的波动范围较小,在机器人腿部机构的足端轨迹规划中应用上述方法具有可行性。     

可变后掠翼驱动机构设计与CFD仿真

变后掠翼飞机可以通过改变机翼后掠角去适应不同的飞行条件,以达到最优飞行状态,但其复杂的结构与操纵系统及较大的自身质量一直为人诟病。针对这些问题,文中提出两种基于滑块摇杆的后掠翼驱动机构设计方案,分别适用于不变翼型和可变翼型后掠翼飞机。通过机构分析可以得到机翼后掠角χ与滑块位移x之间的函数关系。针对不变翼型驱动机构作用下的可变后掠翼,选取翼型NACA2412进行CFD仿真分析,通过曲面图,比较不同迎角下后掠角对机翼升力系数、阻力系数及升阻比的影响。当Ma取值0.5,迎角为定值时,升力系数、阻力系数均随机翼后掠角递减,升阻比先增后减,且在机翼后掠角40°,迎角6°处,升阻比有最大值17.6。适当增大Ma,不改变最大升阻比所对应的机翼后掠角和迎角。     

基于四维聚类的R*-树结点分裂算法

针对R*-树应用到逆向工程领域时遇到的适用性差等问题,提出一种新的R*-树结点分裂算法,该算法以R*-树结点最小边界矩形外接球半径为权值,对点、三角形、矩形等多种三维几何对象进行加权处理,将其统一表示为四维点对象,选定距离最远的两个四维点作为初始分簇中心,根据点到两分簇中心的距离进行分簇,结合k-means算法以结点外接球半径为权值计算新的分簇中心,并迭代分簇过程,直到各分簇中心不再变化,结束R*-树的结点分裂过程。试验证明,采用该结点分裂算法可处理复杂数据对象的分簇,并在提高建树效率的同时,优化R*-树结构,提高空间查询效率,对提高逆向工程数据预处理效率具有重要意义。     

基于混沌理论的无人驾驶车辆行驶轨迹量化分析

针对无人驾驶车辆客观量化评价困难的问题,提出基于混沌理论的无人驾驶车辆行驶轨迹的量化分析方法。应用五次多项式方法结合优秀驾驶员驾驶车辆行驶的初始状态和目标状态设计无人驾驶车辆的理想轨迹,计算实际行驶轨迹与理想轨迹的偏差得到偏差时间数据序列;采用混沌理论的C-C方法对偏差时间数据序列重构相空间;计算偏差时间数据序列的Lyapunov指数,实现无人驾驶车辆行驶轨迹的量化表示。运用提出的方法对无人驾驶车辆避障换道的行驶轨迹偏差时间数据序列进行相空间重构,计算其Lyapunov指数为正值,表征人驾驶车辆系统的混沌性,还表征人驾驶车辆收敛到稳态响应的快慢程度。试验表明基于混沌理论的无人驾驶车辆行驶轨迹的量化分析是可行的,有效的。     

含S副间隙6-SPS机构奇异性分析

采用四元数法描述6—SPS机构位姿矩阵,并把该矩阵和矢量坐标扩展为4维形式,通过推导无间隙机构的运动方程,得到了机构运动的新型雅克比矩阵JA和JB;在此基础上,利用连续接触模型得到了含间隙6—SPS机构的运动系数矩阵J_(AS)和J_(BS)。分别把J_(AS)和J_(BS)的行列式展开,得到含间隙机构第一类奇异和第二类奇异的轨迹方程,利用MATLAB得到了机构在给定位置时的第一类位姿奇异轨迹和第二类位姿奇异三维轨迹曲面。通过把两类含间隙机构奇异轨迹曲面的比较,发现机构间隙对第二类奇异的影响大于对第一类奇异的影响;以无间隙机构奇异轨迹曲面上奇异点作为参考点,通过含间隙机构奇异轨迹曲面上与参考点相对应奇异点的相互比较,发现在参考点附近存在一个关于参考点的奇异域。     

LMS动态系统在低湍流度风洞动力段的振动测试应用

为了比较清晰地了解西北工业大学低湍流度风洞动力段的振动情况,在搬迁改造过程中,笔者采用比利时LMS公司的动态频谱测量设备构建动态测量与分析系统对其动力段各组件的振动情况进行了测试。通过讨论动力段壳体、电机本体、以及叶轮的不同组合状态下振动噪声的测试结果,系统地阐明了各部件随电机的转速变化的振动规律,定量地分析了风洞动力段的振动噪声产生的原因。根据以上分析得到的风洞动力段振动噪声产生的原因分别是:(1)电机转轴及内部轴承的配合存在着问题;(2)在电机前端加装叶轮后发现叶轮旋转过程中存在着不平衡;(3)在动力段加装壳体后发现由于叶轮存在不平衡和动力段壳体内壁有摩擦,同时叶轮的旋转形成的空气动力性噪声通过壳体以声辐射的形式向外传播。     

B轴动力刀架的轨迹规划与仿真研究

通过建立插补方程组,研究不同刀位点的位姿状态与坐标变换,得出坐标系之间的数学模型,根据仿真结果验证其有效性。依托五轴数控机床建立插补方程组,分析不同加工方向的插补模型;运用齐次矩阵变换法和数值赋值反算法,并结合机器人学中经典的D-H法建立其坐标系之间的数学模型,得出机床刀架实现转动时的位姿状态,各轴运动的坐标值及运动学方程;使用Matalb和Adams进行空间轨迹规划与运动学仿真。通过仿真分析,结果表明动力刀架在加工过程中的位姿姿态与平稳性符合前期设计要求,机床的整体运动性能良好。结论:刀具完全按照设计要求的轨迹规律在运动,验证了方法的有效性及合理性。     

离心泵叶轮五轴数控加工刀位轨迹规划算法研究

针对球头刀端铣加工工艺,可采用等残高刀位轨迹规划方法生成离心泵叶轮叶片型面的加工轨迹。首先根据端铣加工的工艺特点和叶片型面的几何特征,选取叶片上一条长边界曲线作为初始刀触点轨迹,并通过许用弦长公差离散形成刀触点序列;然后定义与进给方向垂直的截平面簇,在每个截平面内建立以刀触点为圆心的圆弧,将圆弧与叶片型面相交的前交点作为下一刀触点,并沿着刀轴方向计算刀位点,形成刀位点序列,拟合得到刀位轨迹。UG仿真表明,针对给定的叶轮,设定残高0.05mm时,可以得到实际均方根残高值为0.0463mm的光顺加工轨迹,其后跟角在(4.3432,15.8454)内变化,侧倾角在(46.4292,56.7360)内变化,刀轴转动无突变。     

面向筒类舱段自动装配的两点定位调姿方法

为解决航天器数字化对接装配中的调姿问题,提出了两点定位调姿法：通过改变对接舱段上2个关键点的位置来实现舱段空间位姿的调整,采用五次多项式轨迹对舱段进行调姿轨迹规划并约束舱段的运动参数,确定舱段合理的调姿时间,保证舱段平稳快速地完成对接任务。该方法简化了调姿算法,采用串联机构即可满足调姿算法要求,避免了多轴协调控制,降低了控制难度。利用ADAMS对所提出的方法进行仿真验证,通过两点定位调姿法调整对接舱段可使其到达目标位姿,位移、速度、加速度轨迹光滑连续,同时满足各边界约束条件,调整后舱段姿态与目标坐标值最大偏差为-0.08 mm,调整过程中最大加速度为10 mm/s2。仿真结果表明,两点定位调姿法可满足筒类舱段数字化装配调姿的精确性、稳定性和高效性要求,有助于实现筒类舱段调姿过程的自动控制。     

参数预估的空间曲线插补器设计

针对复杂曲面笔式加工时刀具路径为无具体方程表达式的特点,给出一种可保持刀触点切削速率恒定的空间曲线插补算法。该算法根据导动曲线和刀触点轨迹的加工状态近似模型,通过简化导动曲线参数的计算,间接得到投影在曲面上的曲线插补点。该算法的提出扩充了CNC系统的轨迹控制功能,提高了复杂曲面的加工效率。仿真结果证明该算法可行且有效。     

6R操作臂逆运动学分析与轨迹规划

提出一种依赖初始位形的6R串联操作臂运动学逆解模型与轨迹规划方法。以折叠状态下6R串联操作臂各关节轴线方向单位矢量和位置矢量为基础,运用旋量理论与指数积方法建立该操作臂在初始状态下的运动学模型,以解析法得到该操作臂的16组运动学逆解,通过规划末端执行器在全局坐标系下的位置和姿态运动轨迹,应用运动学逆解得到各关节的运动轨迹。仿真结果表明该操作臂运动学模型、逆解方法与轨迹规划结果正确。该方法建立的6R串联操作臂运动学模型及逆解方法具有建模简单、易于求解、便于轨迹规划等优点。