北京航空航天大学学报

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2016年, 第42卷, 第6期

第6期电子期刊

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基于量子万有引力搜索的SVM自驾故障诊断

李海涛, 何玉珠, 宋平

2016, 42(6): 1093-1098. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0417

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摘要:
针对自动驾驶仪在实际测试过程中故障样本较少的情况,提出一种基于量子万有引力搜索算法(QGSA)的支持向量机(SVM)故障诊断模型。SVM能较好地解决小样本、非线性问题,适用于自动驾驶仪的故障诊断。为进一步提高万有引力搜索算法(GSA)对参数寻优的收敛速度和收敛精度,将基于GSA的QGSA应用于SVM的参数寻优中,以解决SVM由于参数选取不当导致过学习或欠学习的问题,从而获得最优的分类模型。通过模拟实验分析,当训练样本数量为50时,基于QGSA的SVM故障诊断模型分类准确率便能达到96.530 6%,而基于遗传算法(GA)的SVM故障诊断模型分类准确率为92.040 8%,基于GSA的SVM故障诊断模型分类准确率为91.632 7%。仿真实验结果表明,基于QGSA的SVM故障诊断模型具有更好的故障诊断能力。

气冷喷油杆隔热套高度对混合扩压器性能影响

刘友宏, 周开福, 牛俊杰

2016, 42(6): 1099-1106. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0425

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摘要:
针对一种带气冷喷油杆的混合扩压器,基于Navier-Stokes方程组建立了流场三维数值计算模型,研究了气冷喷油杆的隔热套高度对一体化混合扩压器流场、流阻特性和混合特性的气动热力性能影响规律。结果表明:隔热套高度对混合扩压器热混合效率影响不大,总体变化范围小于0.008;随着隔热套高度的增加,静压恢复系数逐渐减小,流阻系数和压力损失系数逐渐增大;在混合扩压器出口截面处,总压恢复系数随隔热套高度增加而逐渐减小,且总体变化范围较小,由0.991 1减小到0.990 7。

基于虚拟观测值的X射线单脉冲星星光组合导航

杨博, 胡声曼, 孙晖, 徐帆

2016, 42(6): 1107-1115. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0422

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传统的X射线脉冲星导航系统需要同时观测3~4颗脉冲星,有效载荷的质量和功耗极大。因此,单探测器脉冲星导航技术是实现航天器利用X射线脉冲星导航的关键举措。针对单探测器脉冲星导航的可观测性弱和精度低等问题提出了基于虚拟观测值的X射线单脉冲星与星光集中式组合滤波的高精度导航方法,即在X射线脉冲星的长周期内增加与星光同时刻观测的虚拟观测值,以实现高精度的集中式组合滤波算法。同时提出了利用神经网络预测虚拟观测值方法,并与利用动力学递推的方法进行比较,精度可以达到10^-7量级。仿真结果表明,该方法可大大提高单探测器的导航的可靠性,补偿由于探测器误差造成的导航误差,导航位置误差为259.79 m,同时有效地减小了导航系统的重量,为X射线脉冲星导航的工程实现提供了参考依据。

拦截高速目标的全向真比例制导律研究

白国玉, 沈怀荣, 李辕, 闫梁

2016, 42(6): 1116-1125. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0377

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针对高速目标拦截问题,提出了能自动选择拦截模式并调整拦截弹速度,兼具顺、逆轨拦截能力的全向真比例制导律(OTPN),该制导律可以满足对高速目标实施全向拦截制导的需求。本文在高速目标的比例拦截制导研究中,发现存在2个满足成功条件且比例关系符号相反的制导终点,分别对应顺、逆轨拦截模式;在制导律的设计中综合控制加速度限制因素,通过制导比例关系的正负变换放宽了初始拦截约束条件。数值仿真结果验证了OTPN的正确性和有效性,与其他制导方案的拦截仿真比较表明:同等拦截条件下OTPN的捕获范围、拦截时间和总控制量需求等参数均优于经典比例和负比例制导律;通过捕获能力仿真,研究了控制加速度上限和比例系数取值对OTPN拦截捕获能力的影响。

复杂多约束条件通航飞行垂直剖面规划方法

王晓亮, 马亚冰, 王鹏, 吴仁彪

2016, 42(6): 1126-1133. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0450

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为了解决复杂多约束条件下通航飞行器垂直剖面航迹规划问题,提出了一种基于改进A^*算法的剖面规划方法。首先结合通航低空飞行特点,对涉及的飞行任务、地形信息和飞行器性能参数等多种约束条件进行建模;其次构建垂直剖面规划空间,采用目标加权函数来建立航迹代价模型;最终通过改进A^*算法生成满足复杂多约束条件的垂直剖面规划航迹。实验分析表明:在相同实验条件下,改进A^*算法在解决复杂多约束条件下通航飞行器垂直剖面航迹规划问题方面优于传统路径规划方法。

SVRM辅助的北斗GEO卫星反射信号土壤湿度反演方法

杨磊, 吴秋兰, 张波, 梁勇, 洪学宝, 邹文博

2016, 42(6): 1134-1141. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0656

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提出了一种支持向量回归机(SVRM)辅助的北斗地球静止轨道(GEO)卫星反射信号土壤湿度反演方法。使用全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)右旋圆极化(RHCP)天线和左旋圆极化(LHCP)天线接收体制进行了地基实验,采集了北斗GEO卫星直射、反射信号原始数据,并从中提取直射、反射信号的相关功率,结合北斗GEO卫星的高度角与方位角信息作为输入,烘干称重法获取的土壤湿度作为输出对使用径向基(RBF)核函数的ε-SVRM进行了训练。独立测试集上的结果表明,SVRM辅助的北斗GEO卫星反射信号土壤湿度反演方法获取的土壤湿度结果与烘干称重法获取的土壤湿度参考值误差控制在3%以内,线性回归方程决定系数为0.897 9,均方根误差RMSE为1.492 6%,证明了该方法具有良好的泛化特性,实际应用中效果良好。

基于键合图模型的传感器布局方法

凌牧, 袁海文

2016, 42(6): 1142-1148. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0400

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为研究传感器布局对于故障诊断性能的影响,使用键合图方法对系统建模。通过在键合图模型中设置虚拟传感器模拟测点,利用键合图的结构信息和因果关系约束推导出一组解析冗余关系式,即系统残差,通过分析残差、故障及传感器配置的关系,提出了一种基于满足故障检测性和隔离性要求的传感器布局方法,在最大限度满足系统诊断性能前提下选择数量最少的传感器配置方案。最后,以同步发电机为例建立键合图传感器布局模型,通过残差推导其结构故障特征矩阵以及传感器特征矩阵,并对所提出的传感器优化布局方法进行验证,得出在参数性故障检测和隔离性能最高前提下的传感器配置方案。

涡轮叶片导管快速建模

李吉星, 席平

2016, 42(6): 1149-1155. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0386

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导管是涡轮叶片冲击冷却的核心部件。为实现复杂冷却结构叶片导管的快速建模,提出了创成式导管快速建模方法。首先应用截形法构建适应叶片内腔几何形状的管身截面线以创建管身,然后应用截交包络裁剪法与特征等弧长阵列方法保证了导管冲击孔与导管突起的建模稳定性与建模效率,并构建了突起定位迭代公式,保证了导管与叶片内腔的配合精度。最后采用UG Open API工具开发了导管快速建模程序,验证了所提方法的可行性。

平面引力辅助中施加脉冲的最优位置

贾建华, 吕敬, 王琪

2016, 42(6): 1156-1161. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0409

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在引力辅助过程中施加脉冲可以改善变轨效果。虽然轨道设计中一般将施加脉冲的位置设置在轨道的近拱点,但是并没有研究表明近拱点是施加脉冲的最优位置。为了研究平面引力辅助中施加单次共面脉冲的最优位置,首先采用6个参数对变轨过程进行描述,其中3个参数表征平面引力辅助、2个参数表征脉冲的大小与方向、1个参数表征施加脉冲的位置。然后将航天器的状态向量表示成参数的函数,进而求出变轨之后航天器的能量变化。研究施加脉冲的位置对航天器能量的影响,结果表明最优位置一般并不是近拱点,在最优位置施加脉冲比在近拱点有时可高效20%以上。

用广义扩展有限元计算界面裂纹应力强度因子

苏毅, 王生楠, 鲁龙坤

2016, 42(6): 1162-1168. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0376

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广义扩展有限元法(GXFEM)是一种结合广义有限元法和扩展有限元法特点的新的数值模拟方法。给出了分析双材料界面裂纹应力强度因子(SIF)的广义扩展有限元法的基本原理。提出了一种新的双材料界面裂纹尖端富集函数,将裂纹尖端富集函数由12项缩减为6项。双材料界面不连续,在常规有限元法的位移模式中加入基于水平集的富集函数,同时将裂纹单元结点和裂纹尖端单元结点自由度广义化,提高了计算精度。通过与文献结果的比较,表明了提出方法的精确度和可靠度。

一种支持QoS的航空自组织网络无反馈MAC协议建模

高晓琳, 韩丰, 晏坚, 陆建华

2016, 42(6): 1169-1175. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0384

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针对航空自组织网络的高动态特性和对高优先级业务的服务质量(QoS)要求,提出了一种无反馈介质访问控制(MAC)协议建模方法及相应的阈值设置方法,以保证高优先级数据分组的时效性及可靠性。首先,对数据分组在接收端碰撞建立时间约束模型,得到信道统计结果与分组成功概率的映射关系;然后,根据不同业务的QoS要求设置接入阈值;最后,实现对不同优先级业务的接入控制。仿真结果表明,在典型空域网络场景下,基于该建模方法的无反馈MAC协议可以为高优先级业务提供QoS保证,即分组成功概率大于99%,端到端延时小于1 ms。

基于舵面位置反馈的实用非线性控制分配方法

吕永玺, 章卫国, 史静平, 屈晓波, 曹宇燕

2016, 42(6): 1176-1184. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0411

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针对飞机在自主起降、大迎角飞行时力矩系数与舵面偏角之间的非线性和耦合性问题,以无尾飞翼飞机(TFWA)为对象,提出了一种实用新型的基于舵面位置反馈的非线性控制分配方法。该方法通过舵面位置反馈,在期望三轴力矩系数中除去前一拍舵面偏角产生的非线性三轴力矩系数,从而将非线性控制分配问题转化为线性控制分配问题来求解。证明了该方法具有一致渐近稳定性,且其稳态误差为0,并分析了该方法的可行性。通过与序列线性规划、序列二次规划和遗传算法等非线性控制分配方法进行数字仿真对比,突显了该方法精度高、解算快的特点;同时对该方法进行了基于伪逆法、不动点迭代方法和相邻面搜索方法的数字仿真,说明了其处理非线性控制分配问题的有效性。以TFWA、F18等为对象,在xPC-DSP半物理仿真平台上验证了该方法具有通用性强、实时性好的优点。

考虑认知不确定的雷达功率放大系统可靠性评估

潘刚, 尚朝轩, 梁玉英, 蔡金燕, 孟亚峰

2016, 42(6): 1185-1194. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0390

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高可靠性部件短时间内很难得到足够的性能数据,致使对部件退化规律的认知存在一定不确定性,无法准确估计系统的可靠性。为实现对系统可靠性准确估计,假定部件性能参数的分布参数为区间变量,建立了基于区间变量的部件性能参数分布模型,给出了部件状态概率的计算方法。对状态性能区间边界进行补偿,定义了区间通用生成函数及其运算法则,提出了考虑认知不确定性的多态系统可靠性评估方法,并对某型雷达功率放大分系统的可靠性进行分析。本文方法克服了性能参数分布信息缺少、无法准确建立状态性能参数分布模型的不足,具有很强的通用性和工程应用价值。

模型燃烧室内不稳定燃烧发展过程的数值分析

冯伟, 聂万胜, 李斌, 郑刚

2016, 42(6): 1195-1202. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0457

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为了对自燃推进剂燃烧室内出现的不稳定燃烧现象进行详细分析,采用欧拉-拉格朗日方法对该燃烧室内的气液两相非稳态燃烧过程进行了数值模拟,计算得到的压力振荡幅值和频谱特性与实验结果吻合较好,在此基础上对不同燃烧阶段内的压力和释热变化规律进行了分析。结果表明:在压力振荡幅值超过10%的不稳定燃烧阶段,压力振荡主频为9 200 Hz,燃烧室内横向压力分布与1阶切向振型一致,仿真中再现了1阶切向自激高频不稳定燃烧的产生及发展过程;稳定燃烧向不稳定燃烧转变早期,压力振荡从部分燃烧释热波动中获得能量,压力振荡幅值缓慢增长;随着燃烧进行,燃烧释热波动与压力振荡之间相位和频谱特性逐渐趋于一致,压力振荡幅值开始急剧增大;当二者完全耦合时,燃烧室内压力振荡幅值达到极限饱和状态,此时压力振荡幅值超过了平均室压的200%。

基于优化字典学习算法的压缩数据收集

易可夫, 王东豪, 万江文

2016, 42(6): 1203-1209. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0375

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为了提高压缩数据收集对多样化传感数据的适应能力,同时抑制环境噪声对数据收集精度的影响,提出了一种优化字典学习算法来构造压缩数据收集中的稀疏字典。理论分析表明在压缩数据收集中由环境噪声导致的数据收集误差和稀疏字典的自相干程度正相关。为此在字典学习的过程中引入了自相干惩罚项来抑制环境噪声对数据收集精度的影响。该惩罚项还能减少字典学习过程中对训练数据的过拟合,从而进一步提高了该算法的稀疏表示能力。实验表明,该算法的稀疏表示能力高于同类字典学习算法,而且能有效地抑制环境噪声对压缩数据收集精度的影响。

喷流干扰气动热数值模拟的若干影响因素

林博希, 阎超, 李亚超

2016, 42(6): 1210-1218. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0379

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工程上对喷流气动热进行近似计算时,常常对真实的全化学反应流近似处理,这时需要了解喷流气体和喷管外形的近似方法对计算结果的影响规律。采用数值试验对比分析的方法,探讨了近似计算的2个影响因素:其一是使用量热完全的空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟时,喷管几何形状对热流分布的影响;其二是使用空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟的方法,分析不同的喷流热力学参数匹配方法对喷流形态及热流分布的影响。通过对不同方法进行对比计算,揭示了各个方法对喷流干扰气动热计算的影响规律,可以用于指导工程分析。

基于多假设跟踪的散射点关联和三维重构方法

毕严先, 魏少明, 王俊, 张耀天, 孙忠胜, 袁常顺

2016, 42(6): 1219-1227. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0380

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针对雷达目标在未知视角下一维散射中心关联存在的问题,提出了一种基于散射强度信息辅助的多假设跟踪(MHT)散射点关联方法,采用散射点幅度信息辅助实现对目标散射点的有效关联,对关联后的数据采用序贯因式分解的方法实现了目标的三维重构。仿真实验表明,该方法简单、成像效果稳定,通过对关联过程中的假设更新和管理可有效剔除目标运动过程中产生的虚假散射点,适用于目标在多个姿态下多个散射点的关联和三维重构,具有较高的鲁棒性。

基于MEDLL的分级搜索抗多径算法

叶锦宇, 寇艳红

2016, 42(6): 1228-1235. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0419

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以多径估计延迟锁定环路(MEDLL)为代表的参量式基带抗多径算法以其能够同时估计直达信号和多径信号各参数而受到广泛关注,然而该类算法估计精度的提高是以计算复杂度的增加为代价的。为了在保证估计精度的同时降低资源消耗并加快搜索速度,提出了一种MEDLL最大似然(ML)估计搜索方法,将粗搜索后得到的参数估计值作为下一级搜索的先验信息,缩小搜索范围后减小搜索步进,完成逐级精细的参数估计。推导了原始MEDLL及树状分级结构的MEDLL(T-MEDLL)算法计算复杂度表达式;其中在存在一路多径信号的情况下,对于0.01 chip的多径延迟分辨率,复杂度可以降低为传统盲搜索的30%~50%。进一步基于自研的数字中频(IF)GPS信号模拟器和软件GPS接收机平台对不同多径情况下盲搜索法与分级搜索算法的参数估计精度及码伪距多径误差等性能进行了对比,验证了更低计算复杂度的T-MEDLL可以达到与传统MEDLL算法同样的跟踪精度。

变工况条件下基于相似性的剩余使用寿命预测方法

李琪, 高占宝, 李善营, 李宝安

2016, 42(6): 1236-1243. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0396

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剩余使用寿命(RUL)预测是预测与健康管理(PHM)中的核心环节。提出一种变工况条件下基于相似性的RUL预测方法。结合相似性预测方法无需进行复杂的退化过程建模而能提供合理预测的优势,引入工况即设备工作时所处的环境或操作载荷等因素的影响来提升设备RUL预测准确性。对参考样本建立多工况的设备退化模型提升模型精度,在服役样本相似性度量预测中进行工况的匹配以实现在变工况下的RUL预测。方法能够更准确地描述实际工程中设备的退化过程和个体差异。依据相同准确度标准完成多组基本相似性方法和本文方法的对比实验结果表明,本文方法能够有效提高RUL预测准确度。

一级旋流偏置对双旋流杯下游流场的影响

刘成川, 许全宏, 于博文

2016, 42(6): 1244-1249. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0402

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摘要:
双旋流杯具有良好的综合燃烧性能,在航空发动机燃烧室中已获得广泛应用。但其在装配过程中不可避免地会出现细微的安装误差,为了研究这些细微误差是否会对燃烧性能产生影响,需要更细致地研究双旋流杯局部结构和气动特征对下游流场的影响作用。因此,本文在常温常压条件下采用粒子图像测速(PIV)技术测试了双旋流杯下游冷态流场,探究一级旋流偏置对反向双旋流杯下游流场的影响规律。结果表明,随着一级旋流偏置距离的增加,在无量纲偏置量下游流场无变化,而当继续增加一级旋流的偏置距离时,下游流场会出现明显的偏移,这对旋流器的安装调试提供了参考。

超临界压力RP-3壁面结焦对流阻的影响

王越, 郭隽, 邓宏武, 黄浩然, 贾洲侠

2016, 42(6): 1250-1255. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0403

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实验研究了长时间加热条件下航空煤油RP-3在微细不锈钢管内流动过程中结焦对流动及换热的影响规律。实验中系统压力保持为5 MPa,燃油质量流量为3 g/s。在燃油溶解氧达到饱和的条件下,实验段进出口油温分别为130℃和450℃。实验从开始到终止持续36 h。实验结果表明,随着时间的增长,管内的结焦量不断增加。由于壁面结焦现象对管内流动和换热产生严重的影响,管内各段换热在实验前期迅速恶化逐渐趋于稳定,管内流阻随着实验时间的增加持续增长。管内流动阻力随着时间的增长呈现出"快速增长→平稳增长→急速增长"的过程。另外,基于实验结果,提出了一种影响系数作为判断结焦对换热器单管影响的工程模型。

基于Hybrid-TOPS的星载SAR运动目标监视新模式

王亚敏, 陈杰, 杨威, 赵松涛

2016, 42(6): 1256-1262. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0420

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摘要:
针对传统星载合成孔径雷达(SAR)模式下运动目标测速范围有限、精度低等问题,本文提出了一种基于Hybrid-TOPS的星载SAR运动目标监视新模式。首先,利用混合度因子对星载SAR成像模式进行定量化的描述。在此基础上,通过TOPS模式与逆TOPS模式的组合提出一种运动目标监视新模式,该模式不仅能实现对同一区域的多次观测,且具有方位向连续观测的能力。然后,利用新模式所获取的不同方位向观测角度下的SAR序贯图像,再结合图像配准和基于新模式的运动目标参数反演即完成目标方位向速度信息的精确提取。最后,仿真验证了新模式的有效性与运动信息提取的精确性。

蜻蜓爬升过程飞行特征实验研究

高倩, 郑孟宗, 李志平, 李秋实

2016, 42(6): 1271-1278. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0374

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摘要:
昆虫真实飞行过程中的飞行特征是仿生流体力学机理研究的基础和关键。本文针对蜻蜓(黄蜻)大、小爬升角2种飞行状态的运动规律和动力学特性展开研究,根据蜻蜓的趋光特性诱导其进行爬升飞行。采用2台光轴相互垂直的高速摄像机进行拍摄,通过特征点匹配和三维重构方法准确地捕捉了2种爬升飞行过程中蜻蜓身体和翅膀的运动参数,并进行动力学特性对比分析。实验结果表明:蜻蜓在进行大爬升角爬升时需要的上升力大于向前的推力,最大拍动幅度比小爬升角爬升时约大40%;扑翼频率比小爬升角爬升时约大3.3 Hz,前后翅相位差相对于小爬升角爬升时减小20°以上;另外,大爬升角爬升过程中前翅前倾角度更大,这样能够使蜻蜓身体保持更大的俯仰角,翅膀能够获得更大的上升力。

视觉导航下基于H₂/H_∞的航迹跟踪

吴成良, 曹云峰, 庄丽葵, 谢也, 丁萌

2016, 42(6): 1279-1285. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0370

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摘要:
为了从理论上研究视觉导航系统的特性,首先在物理上将视觉导航系统划分为传感器(摄像头、激光测距仪)和视觉处理计算机。针对视觉处理计算机,建立视觉位置测量模型。将视觉位置测量模型的不确定性分为参数不确定性和输入干扰2种。然后通过仿真详细分析了视觉位置估计针对不同模型不确定性的敏感程度。最后在引入视觉位置测量模型不确定性的基础上研究H₂/H_∞混合鲁棒控制在航迹跟踪上的应用,并给出了保证航迹控制系统稳定性和跟踪性能情况下的视觉位置测量模型摄动范围,对计算机视觉算法的研究具有一定的指导意义。

基于SA^*的CE-3巡视器机械臂就位探测任务规划

张涛, 居鹤华

2016, 42(6): 1286-1294. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0382

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针对机械臂规划方法无法满足CE-3巡视器成像及探测光照约束、避碰及机械臂位形切换次数等约束的不足,提出一种基于SA^*的月面巡视器机械臂就位探测任务规划算法。该算法在机械臂的工作空间进行搜索,根据星历计算太阳光照以解决光照约束,通过层次包围盒高效准确地进行机械臂碰撞检测以满足机械臂与环境不存在干涉的约束条件,通过相邻运动行为的代价削减保证规划后机械臂位形切换次数最少。最终通过月面巡视器在轨任务结果验证该算法的可行性。

基于副气囊耦合的飞艇纵向运动影响分析

游颖捷, 糜攀攀, 吕明云, 刘文定

2016, 42(6): 1303-1310. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0427

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摘要:
高空大型飞艇副气囊体积占比很大,甚至达90%以上,副气囊动力学对飞艇运动产生较大影响。对巡航高度为6 000 m的某大型飞艇,建立基于圆柱容器的副气囊动力学模型,进一步构建考虑副气囊的飞艇纵向耦合动力学方程,并对飞艇纵向运动进行了数值仿真,将其与不考虑副气囊时的结果进行对比。结果表明:副气囊对大型飞艇俯仰运动有较大影响,容易引起运动发散,且耦合影响随飞艇高度增大而变小,同时副气囊体积不变时,其直径越小,动力学耦合效应影响越小;副气囊效应会降低飞艇的操纵性,在进行飞艇设计时应该予以考虑。