单轴有限推力下卫星轨道快速机动控制

针对仅能提供单轴推力的卫星轨道机动的快速性问题,提出了一种利用高斯伪谱法来求解最优控制问题的方法.通过引入“虚拟卫星”的概念,将卫星轨道机动问题转化为实际卫星与虚拟卫星的软交会问题.建立了相对运动方程,以机动时间为性能指标,利用高斯伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题,避开了求解两点边值问题的困难.通过使用MATLAB优化工具箱求解得到最优轨迹.结果表明,高斯伪谱法针对多约束、非线性强耦合方程,求解速度快,精度高,对初值选取不十分敏感,寻优能力强,且具有一定的鲁棒性.     

考虑空间约束的舰载机作业调度模型研究

舰载机的舰面调度是受空间限制的多任务复杂问题,是舰船完成作战效能的重要保证.本文分析了舰载机作业的基本流程以及甲板空间因素对舰载机作业的影响,将舰载机及其相关作业的调运空间和作业空间定义为资源,利用多模式资源受限项目调度问题研究方法,建立了资源受限舰载机机群调度数学模型.基于启发式算法完成了舰载机作业调度计划求解算法设计,并对给定算例进行求解.实例研究结果表明,该模型和算法可以为舰载机作业调度规划提供技术支持.     

变信赖域序列凸规划RLV再入轨迹在线重构

针对可重复使用运载器（RLV）的再入轨迹重构问题,提出一种基于变信赖域序列凸规划的RLV再入轨迹快速求解方法. 首先,通过离散化及对非凸约束的线性化处理,将RLV的非凸轨迹优化问题转换为凸优化问题,然后通过序列凸规划方法对凸优化问题进行求解. 在序列凸规划求解过程的初始迭代中,采用预测校正算法对初值猜测轨迹进行设计,确定轨迹求解的终端时间;在后续迭代过程中,设计基于优化性能指标的信赖域更新策略,提升算法的收敛性能. 在轨迹快速求解方法的基础上,考虑RLV再入过程中可能发生的突发事件,如实际轨迹大幅度偏离参考轨迹或目标点变更,基于变化的初值约束及终端约束在线重构轨迹,并结合重构轨迹和LQR（Linear quadratic regulator）方法设计再入制导律实现对重构轨迹的有效跟踪. 最后,将此设计方法与Gauss伪谱法及传统序列凸规划算法进行仿真对比验证. 仿真结果表明:变信赖域序列凸规划方法相较于伪谱法和传统的序列凸规划方法在轨迹求解实时性及收敛性方面有较大的提升,具备应用于轨迹在线重构的能力,此外,所提出的轨迹在线重构方法具备良好的鲁棒性以及抗扰性.     

基于伪谱法的亚轨道飞行器返回轨迹优化设计

在亚轨道飞行器返回轨迹设计中,不仅要研究其可行轨迹的设计问题,还要研究在各种性能指标下的最优轨迹。文章采用伪谱法研究了亚轨道飞行器返回轨迹优化设计问题。为了便于应用伪谱法并加快优化速度,建立了以能量为独立积分变量的动力学方程,并进行了归一化处理,将终端时间自由的优化问题转化为固定积分区间的优化问题。考虑状态约束、控制约束、过程约束以及终端约束,采用伪谱法进行了亚轨道飞行器的返回轨迹优化设计。从算例的仿真结果可以看出,伪谱法可以较好完成亚轨道飞行器的返回轨迹的优化设计任务。     

一种六关节机器人关节空间轨迹规划方法

为提高六关节机器人运动效率,保证在最优时间内平滑地完成运动任务,提出一种关节空间轨迹规划方法.该轨迹规划方法首先通过D-H参数法,对机器人进行建模;在末端执行器轨迹上寻找若干个特征点,并通过逆运动学解得六个关节的关节角;采用5次非均匀B样条曲线定义速度、加速度可控的关节轨迹,并获得时间最优轨迹规划的非线性运动学约束条件;最后通过改进的粒子群算法求解关于时间最优的运动轨迹.     

球面手腕康复机构逆运动学解新方法及应用

针对球面手腕康复机器人的末端执行机构——共轴3RRR球面并联机构(CSPM)存在逆运动学解不完整性或无解析解的问题，提出基于欧拉角的逆运动学分步求解方法.根据共轴球面并联机构的特性，可以将CSPM姿态欧拉角分解为绕Z轴和绕X、Y轴旋转的2个子姿态，求解绕X、Y轴旋转子姿态逆运动学解的集合.选取每个关节逆运动学解集合中的较小值，与绕Z轴旋转的角度相加作为CSPM逆运动学解，利用CSPM正运动学验证了所提方法的正确性.在真实手腕运动范围的基础上，以无连杆碰撞点和无奇异位形为约束条件，使用所提方法求解手腕康复装置的实际姿态空间.在实际的姿态空间内，将提出的逆运动学求解方法与单位四元数相互转换，将单位四元数插补应用于CSPM运动规划中，理论计算结果与试验结果均为光滑的轨迹曲线，两者误差的最大值不超过2.5°.     

基于旋量理论的串联机器人逆解子问题求解算法

为了提高串联机器人逆运动学的求解效率,明确逆解的几何意义,提出基于旋量理论的逆运动学子问题求解算法.该子问题描述为“绕3个不相交轴旋转（其中2个轴线平行,且与第3个轴异面）”.以6自由度串联机器人“钱江一号”为例,通过旋量理论及指数积(POEs)方程来建立运动学模型,给出该新型逆运动学子问题的求解方法.将整体逆运动学问题分解为该类子问题和其他已知的Paden-Kahan逆运动学子问题来联合求解.通过实例验算证明,该逆运动学子问题的求解方法高效可靠,具有明显的几何意义,能够满足机器人的强实时系统控制要求.     

利用高斯伪谱法求解最优气动辅助轨道转移

将高斯伪谱法用于共面高轨道到低轨道航天器气动辅助轨道转移的研究。通过将燃料最省指标转化为最佳大气入口、出口条件,将大气内飞行时间最短作为优化指标,利用高斯伪谱法对大气内飞行轨迹进行了优化求解。通过与霍曼轨道转移相对比,气动辅助变轨明显地降低了燃料消耗。同时,说明了高斯伪谱法能够有效地求解最优轨道转移问题。     

基于直接配点法的再入轨迹优化设计

介绍了直接配点法在再入飞行器三维轨迹最优化问题中的应用。首先给出了再入飞行器轨迹最优化控制问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为末端速度最大,控制变量则为迎角和滚转角。再入飞行过程中受到加热率、过载和动压约束,终端状态受到航迹倾角和高度的约束。然后,应用直接配点法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,即将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各节点和配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用基于M at-lab语言的SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解,该软件包对于求解大型非线性规划问题具有很好的收敛性。仿真结果表明直接配点法对于再入飞行器轨迹初始参数取值不敏感,且求解过程具有一定的实时性。因此,直接配点法对于再入轨迹优化问题的求解是可行的。     

基于伪谱法的小型超音速无人机轨迹优化

为了提高小型超音速无人机的经济性能,针对配备加力燃烧室导致设计复杂、油耗过大的问题,提出小型无加力燃烧室的超音速无人机. 利用马赫俯冲机动突破音障,基于hp自适应伪谱法的最优控制轨迹规划方法,求解达到超音速巡航飞行的最小油耗和最小时间2种轨迹最优化问题. 该方法将控制与状态变量离散化,结合无人机飞行的物理过程,将多约束最优控制问题转化为非线性规划问题. 将本文与传统飞行方案所得的结果进行比较,分析重要设计参数对最优轨迹的影响. 仿真结果表明,利用该方法能够有效地规划出无人机从高亚音速到超音速飞行过程中的可行轨迹,得到的最小油耗、最小爬升时间均优于传统飞行方案,最小油耗降低约11%,最小爬升时间降低约46%.     

基于时间冲击最优的TBM换刀机器人轨迹规划

为了提高隧道掘进机(TBM)换刀机器人的工作效率,减小换刀过程中的运动冲击,提出基于改进型粒子群优化(PSO)算法的轨迹优化方法.采用位姿分离法与关节变量最小策略,对冗余关节机器人进行运动学分析.利用所求的逆解,将目标轨迹由笛卡尔空间映射到关节空间.针对每个关节使用5次NURBS曲线构造冲击连续的关节轨迹,以时间冲击最优构造目标函数,采用改进型PSO算法求解出最优时间序列,完成对轨迹的优化.通过对特定的换刀任务进行轨迹规划,得到各关节的优化轨迹.优化结果表明,提出的轨迹规划方法可以为换刀机器人各关节提供理想的轨迹,具有较强的轨迹跟踪能力.利用5次NURBS插值法与改进型PSO优化算法,可以保证轨迹的时间最短与冲击最小,提高了运行的效率与平稳性.     

NSGA Ⅱ based multi-objective homing trajectory planning of parafoil system

Homing trajectory planning is a core task of autonomous homing of parafoil system.This work analyzes and establishes a simplified kinematic mathematical model,and regards the homing trajectory planning problem as a kind of multi-objective optimization problem.Being different from traditional ways of transforming the multi-objective optimization into a single objective optimization by weighting factors,this work applies an improved non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ(NSGA Ⅱ) to solve it directly by means of optimizing multi-objective functions simultaneously.In the improved NSGA Ⅱ,the chaos initialization and a crowding distance based population trimming method were introduced to overcome the prematurity of population,the penalty function was used in handling constraints,and the optimal solution was selected according to the method of fuzzy set theory.Simulation results of three different schemes designed according to various practical engineering requirements show that the improved NSGA Ⅱ can effectively obtain the Pareto optimal solution set under different weighting with outstanding convergence and stability,and provide a new train of thoughts to design homing trajectory of parafoil system.     

近地小行星探测任务月球借力逃逸转移混合优化方法

利用月球借力能够提升送入深空的有效载荷的质量。设计月球借力深空逃逸轨道主要有两种方法：正向法将借力轨道参数化后,利用全局优化算法进行优化,该方法思路直观,但优化参数多,导致计算耗时长,收敛稳定性差;反向法先确定日心段最优轨道,再拼接月球借力地心段轨道,该方法计算耗时少,但模型精度差,并且不容易收敛到全局最优解。为了快速求解月球借力深空逃逸轨道,本文在已有方法基础上提出混合优化方法。提出的混合优化方法充分利用反向法收敛速度快和正向法精度高的优点,先以反向法的多目标优化Pareto解集为参考轨道,再在参考轨道附近开展局部优化,利用正向法使用全局搜索算法,快速获得最优转移轨道。以探测近地小行星1989 ML和2003 SM84为例进行了数值仿真,仿真结果显示混合优化法解的收敛稳定性和计算效率相比正向法提升显著,改进后解的收敛稳定性提升至原来的3～4倍,计算时间缩短50%。仿真结果表明混合优化法对解的收敛稳定性和收敛效率提升效果显著。     

基于Radau伪谱法和MPC的智能电动车辆生态驾驶

为优化智能电动车能源消耗,提出了基于Radau伪谱法和模型预测控制算法的智能电动车辆生态驾驶的方案。建立生态驾驶控制模型和能耗模型,结合边界约束和路径约束,构建生态驾驶能耗优化的最优控制问题。通过能耗优化得到最优车速轨迹,将此轨迹作为期望输入,基于模型预测控制( MPC)算法完成生态驾驶控制。实验结果表明：以纯电动车和实际规划路径为例,以最优车速自动行驶的能源消耗少于人工驾驶的能源消耗,验证了文中策略的有效性。     

天线罩电厚度测量的运动轨迹规划及实现

为了实现高速飞行器天线罩电厚度精确、高效的测量,满足透射法扫描测量过程中罩壁任一点法线与微波波束入射线的夹角始终为布鲁斯特角的要求,本文在确定采用逐条母线方式及单母线圆环方式作为天线罩测量轨迹的基础上,研究了根据不同的测量范围参数来选择最优轨迹的方法;采用将复杂运动分解、简化及坐标变换等方法实现了既定的运动轨迹.研究成果已成功应用于飞行器天线罩电厚度测量设备中,实践证明:本文所介绍的运动轨迹规划和实现方法是可行的,既保证了测量效率,同时也为天线罩电厚度的精密测量提供了必要保障.     

基于多种群竞争松鼠搜索算法的机械臂时间最优轨迹规划

针对传统智能优化算法在机械臂关节空间进行时间最优轨迹规划应用中存在的寻优效率低、优化结果全局性和稳定性差的问题,提出新的机械臂时间最优轨迹规划方法. 在建立机械臂关节空间内的时间最优轨迹规划模型时考虑位置约束,根据输入的关节点列,使用S形曲线估算时间的取值区间,对生成算法的所有个体进行多种群竞争迭代,得出机械臂关节空间轨迹规划的时间最优解. 与不同算法的仿真对比试验结果表明,所提方法较传统的优化算法具有更高的寻优效率和更好的优化全局性;所提方法的稳定性好,其多次优化结果的方差相较单种群算法低3个数量级.     

模糊运动图像的异常动作轨迹矢量搜索方法

为了解决当前模糊图像异常动作轨迹的搜索方法忽略模糊运动图像成因,造成的图像复原不完整、效果差及搜索效率低的问题,提出模糊运动图像的异常动作轨迹矢量搜索方法.采用最小二乘法对模糊运动图像进行复原并提取复原图像中存在的关键像素点构建运动图像的样本库,再运用BDT算法结合图像样本库搜索异常动作轨迹矢量,完成模糊运动图像中异常...     

Inverse Kinematics Analysis of a 7-DOF Space Manipulator for Trajectory Design

To solve the inverse kinematics problem for redundant degrees of freedom (DOFs) manipulators has been and still continues to be quite challenging in the field of robotics. Aiming at trajectory planning for a 7-DOF space manipulator system, joint rotation trajectories are obtained from predetermined motion trajectories and poses of the end effector in Cartesian space based on the proposed generalized inverse kinematics method. A minimum norm method is employed to choose the best trajectory among available trajectories. Numerical simulations with the 7-DOF manipulator show that the proposed method can achieve the planned trajectory and pose under the circumstances of minimum angular velocities. Moreover, trajectory results from the proposed kinematics model and inverse kinematics method has the advantages of simple modelling, low computation cost, easy to solve and plan trajectory conveniently. The smooth and continuous joint rotation functions obtained from the proposed method are suitable for practical engineering applications.