北京航空航天大学学报

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刘敏, 徐世杰, 韩潮

2013, 39(3): 285-289.

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针对具有压电陶瓷自敏执行机构的挠性航天器,基于直接自适应控制方法,设计了姿态机动主动振动控制器.首先,验证了在执行机构与敏感器同位安装时,挠性航天器系统的近似严格正实性;然后,设计了挠性航天器的直接自适应姿态机动主动振动控制器,使得航天器输出渐近跟踪具有理想控制性能的参考模型输出;最后,在多组仿真条件下进行了挠性航天器直接自适应姿态机动控制数值仿真.理论分析与仿真结果表明,该方法对航天器惯量和挠性附件模态的不确定性具有强鲁棒性,能够实现对多阶模态的同时控制,对挠性航天器的姿态机动主动振动控制是有效的.

基于LQ/RHO多回路技术的变体飞机控制器设计

陈伟, 卢京潮, 章卫国

2013, 39(3): 290-294,314.

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为了确保变体飞机在变体过程中的飞行稳定性,提出了一种多回路控制器设计方案.采用线性二次(LQ, Linear Quadratic)输出反馈方法进行内回路控制器设计,确保在机翼固定状态下飞行稳定性.在变体过程中,用一不确定项来描述变体过程中存在的干扰噪声和未建模的动态特性.采用基于参考模型的滚动时域优化(RHO, Receding Horizon Optimal)方法进行外回路修正控制器设计.仿真结果表明:实际系统的输出响应较好地跟随参考模型的输出,不受变体速率的影响,满足实时性和鲁棒性的要求.

基于动力吸振器的空间桁架多自由度振动抑制

杨恺, 崔龙, 黄海

2013, 39(3): 295-299.

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为实现对大型空间柔性桁架结构的振动控制,提出了一种基于动力吸振器的桁架多自由度自适应振动控制方法.首先阐述了采用多个动力吸振器实现桁架多自由度振动抑制的SISO(Single Input Single Output)控制策略,然后仿真验证了单吸振器系统对多频扰动的自适应抑制能力.其中控制算法为多频ADC算法,该算法无需知道结构的精确模型,即能通过自适应控制律实现对多频振动的抑制.仿真结果显示,相对被动吸振器,各频率分量抑制效果分别提高了62.38 dB和42.51 dB.最后实验验证了多动力吸振器对三棱柱桁架多自由度振动的抑制效果,实验结果显示,动力吸振器对单频振动的各自由度抑制效果分别为95.13%,93.59%和95.01%,对多频振动的各自由度抑制效果分别为94.26%,91.55%和93.42%.

基于力矩前馈和舵机角度补偿的力矩控制

牛国臣, 王巍, 魏志强, 宗光华

2013, 39(3): 300-304.

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针对舵机刚度测试中力矩精确加载问题,设计了基于力矩前馈和舵机角度补偿的高精度、大量程力矩加载控制系统.对系统中力矩电机、力矩电机驱动器和加载弹性杆进行了建模分析.从加载目标、频宽及系统稳定性的角度,分析了弹性杆刚度对力矩加载性能的影响.针对力矩闭环控制系统的持续振荡及相位滞后问题,基于不变性原理引入了力矩前馈及舵机角度补偿的复合控制策略.实验表明该方法能有效抑制力矩的振荡及相位滞后,满足刚度测试对加载力矩的控制精度要求.

高压涡轮叶尖径向运行间隙概率设计

费成巍, 白广忱, 赵合阳, 韩彦彬

2013, 39(3): 305-309.

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为了改善高压涡轮叶尖径向运行间隙(BTRRC,Blade-Tip Radial Running Clearance)设计和控制合理性,考虑典型载荷下的热载荷和机械载荷和合理选取随机变量,在确定性分析基础上对BTRRC进行了概率设计.通过确定性分析,得出涡轮盘、叶片和机匣的径向变形以及BTRRC随时间变化规律,并找出危险点(t=180 s)作为概率设计的计算点.通过概率分析,不但得到了各部件径向变形的概率分布特征及不同稳态叶尖间隙δ下的失效数、失效概率和可靠度,还找到了影响它们径向变形和BTRRC的主要因素.综合考虑航空发动机可靠性和效率,将δ设定为1.95 mm为宜,满足设计和工程要求,为BTRRC的控制和设计提供了依据.

基于航迹片段树的快速四维航迹规划方法

张险峰, 周其忠, 王长青

2013, 39(3): 310-314.

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为消除起飞时间误差以及飞行过程中各种干扰对无人飞行器到达指定地点时间的影响,提出了一种基于航迹片段树的快速四维航迹规划方法.结合现代无人飞行器特点,利用改进的稀疏A^*算法,生成遍布规划空间的航迹片段树,根据指定目标位置直接从航迹片段树中寻求最优叶节点,通过回溯及速度优化设置,快速获得能消除各种时间误差的飞行航迹.试验结果表明,本算法能快速完成四维航迹规划,满足飞行器按指定时间达到指定地点的要求.

旋转大气下火星探测器轨道捕获

吕敬, 张明明, 龚胜平

2013, 39(3): 315-319,375.

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针对大气辅助捕获下多次穿越的方式,分别建立探测器气动捕获段在静止大气和旋转大气模型下的轨道动力学方程并进行相应的动力学仿真,分析旋转大气对轨道捕获的影响.根据仿真结果,给出了在两种大气模型下完成目标捕获时,任务耗时以及探测器所受的热量、过载情况,通过给定不同目标轨道近火点高度,得出两种大气模型下卫星轨道的轨道参数变化形式.结论表明:当目标轨道近火点高度较低时,旋转大气对探测器轨道参数的变化形式影响较大,应该考虑旋转大气的影响.

基于升力线理论的机翼几何扭转设计方法

乔宇航, 马东立, 邓小刚

2013, 39(3): 320-324.

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针对飞机设计对于减小诱导阻力的需求,结合升力线理论中三维机翼诱导阻力的相关研究,提出机翼的几何扭转设计方法.此设计方法以总升力、机翼平面形状、翼型气动特性为输入参数,以机翼的几何扭转为输出.在低速情况下,利用此方法得到的机翼具有椭圆形升力分布,从而具有最小的诱导阻力.采用远场法计算诱导阻力,应用参数化方法和CATIA实现机翼的自动生成,应用网格生成工具ICEM的脚本语言实现气动网格自动生成,应用MATLAB的符号运算功能编制程序.该设计方法适用于低速有粘流中平直翼的几何扭转设计,算例的CFD(Computational Fluid Dynamics)计算结果表明:利用该方法设计的机翼展向升力分布为椭圆,并能有效降低机翼的诱导阻力.

基于概率群集的多无人机协同任务和资源分配

邸斌, 周锐, 吴江

2013, 39(3): 325-329.

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针对多无人机协同执行目标攻击任务中任务和资源分配问题的需求和特点,考虑目标价值、弹药量限制及无人机载弹量、航程等约束条件,建立了多无人机协同任务和资源分配问题数学模型.开发了基于概率群集框架的协同任务和资源分配分布式优化求解算法,并采用启发式方法简化了问题求解,提高了求解效率.仿真结果表明:所提算法能以较高的效率得到问题的优化解,且可通过调整参数实现求解效率与解的质量之间的折中,适用性强.

捷联惯导系统最优多位置对准的确定与分析

刘志琴, 王新龙

2013, 39(3): 330-334.

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为了实现捷联惯导系统(SINS, Strapdown Inertial Navigation System)快速精确对准,研究了SINS进行最优多位置对准的条件及方法.利用李雅普诺夫变换得到的SINS等价误差模型,在对惯性测量单元(IMU, Inertial Measurement Unit)绕正交轴旋转时SINS可观测性进行定量分析的基础上,通过研究惯性器件误差与IMU角位置之间的关系,定量分析了IMU的转动方式,明确了使SINS误差状态达到最优估计时IMU的最佳旋转角位置.最后,通过仿真验证了理论分析的正确性.

绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析

陈伟海, 游贤强, 崔翔, 于守谦

2013, 39(3): 335-339.

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与传统的机械臂相比,绳驱动拟人臂机器人采用串并混联的结构形式,模拟了人手臂肌肉的并联驱动方式,但是,绳索的引入也增加了动力学分析的难度.将绳驱动拟人臂机器人视为基座、大臂、小臂和末端四连杆串联机构,采用迭代牛顿-欧拉法建立动力学方程的递推形式,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于动态最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.与未进行张力分配的方法及基于静态最小预紧力的方法相比,所提出的算法可使各绳索驱动力根据动态最小预紧力进行实时调节,满足了不同工作条件下机构的刚度要求.

细水雾灭火的突变分析

杨立军, 佟明羲, 赵建波

2013, 39(3): 340-343.

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为了认识细水雾灭火机理,寻找细水雾作用下的火焰熄灭边界,采用非线性突变理论分析了细水雾灭火过程,推导出火焰能量势函数及火焰临界熄灭温度的表达式,得到了细水雾扑灭正庚烷油盘火的火焰熄灭边界.进行了细水雾针对正庚烷油盘火的灭火实验,实验结果验证了火焰熄灭边界的正确性.相比吸热过程,火焰熄灭温度受氧浓度的作用更为迅速.

R^*-树结点自适应聚类分簇算法

孙殿柱, 孙永伟, 李延瑞, 宋洋

2013, 39(3): 344-348.

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为提高逆向工程中点云、三角网格等数据的索引效率,提出一种R^*-树结点自适应聚类分簇算法,采用均匀分布数据作为参考点集,基于间隙统计法及k-均值算法获得使结点相似度之和开始收敛的自然簇数,进而实现R^*-树的结点自适应聚类分簇.实验证明,该算法可实现各类复杂几何对象的R^*-树结点分簇问题,并能降低R^*-树结点分簇的参数依赖性,减少结点重合度,提高R^*-树空间数据查询效率.

基于辅助输出构造的未知输入观测器设计

朱芳来, 王昆, 韩冬

2013, 39(3): 349-354.

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研究了观测器匹配条件不满足之前提下,状态和未知输入同时估计的未知输入观测器的设计方法.基于可测输出相对于未知输入的相关度的概念,给出了可以满足匹配条件的辅助输出的构造方法.考虑了一种高阶滑模观测器,根据原系统的可测输出不仅能给出辅助输出、还能给出其微分在有限时间内的精确估计.基于辅助输出,提出一种能对状态渐近估计的降维观测器设计方法.基于状态和辅助输出之微分的估计,提出了一种未知输入的重构方法,该方法具有不必用到系统微分信息的优点.最后通过一仿真实验验证方法的可行性.

基于预设载波的随机开关频率调制方法

王亭岭, 熊军华, 张瑾

2013, 39(3): 355-360.

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现有的随机开关频率调制方法未考虑载波切换频率与载波频率间的关系,因此会使逆变器输出交流电产生一定的谐波畸变.为了克服这一不足,通过分析载波切换频率对随机载波信号的影响,得出预置载波随机切换时,前后两条载波的相位不匹配是造成逆变器输出电压产生畸变的根本原因,并提出采用随机切换预设载波的方法实现开关频率的随机化.仿真及实验结果表明,随机脉冲宽度调制(PWM,Pulse Width Modulation)方法不但可以有效抑制输出电压的高次谐波而且在波形正弦度方面优于常规随机PWM方法.

面向遥感图像高速压缩的多FPGA处理器设计

徐潇审, 姜宏旭, 肖朝升

2013, 39(3): 361-365.

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提出了一种面向海量遥感图像高速压缩应用需求的多现场可编程门阵列(FPGA,Field-Programmable Gate Array),即处理器设计方案,包括针对压缩任务中模块间松耦合和模块内强关联的问题,提出了混合式多FPGA并行处理器结构;给出了包含数据均衡分发和码流规则回收的压缩处理机制,提高了同构FPGA的并行效率,确保压缩处理过程的正确性;给出了支持处理器故障和链路故障的结构容错模型,保证压缩处理过程的可靠性;给出了基于分布式外部存储与高速串行总线的多FPGA通信策略,满足海量遥感图像高速压缩的通信要求.实验结果表明:单片同构FPGA的并行效率达93.5%;应用系统的硬件压缩结果与软件压缩结果一致,计算吞吐率达1.6 Gbit/s以上,并具有高可靠性.

超精密切削中单晶脆性材料脆塑转变过程

王明海, 王维, 高蕾

2013, 39(3): 366-370.

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借助断裂力学和位错力学的结合,提出了一种通过建立宏观力学和微观力学之间的联系模拟脆性材料脆塑转变过程的方法.该方法在同时考虑单晶材料力学性能和晶体几何结构的基础上,模拟了单晶材料在承受压剪复合应力的条件下,其内部裂纹和位错之间的相互作用机制,阐明了单晶材料在超精密切削加工中的脆塑转变过程;同时在考虑刀具对单晶材料的压剪复合作用的条件下,首次定量给出了实现单晶材料超精密切削加工的最佳刀具前角的方法,并分析了刀具刃口半径对单晶材料脆塑转变过程的影响;最后通过实验对研究结果进行了验证.

具时滞的联想记忆神经网络模型动力学性质

李秀玲

2013, 39(3): 371-375.

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为了研究时滞对联想记忆神经网络模型动力学行为的影响,考虑了一个含有n+1个神经元的具多时滞的双向联想记忆神经网络模型.以模型中的时滞为参数,利用泛函微分方程的全局Hopf分支存在定理和常微分方程的Bendixson周期解不存在定理,给出该模型非平凡周期解全局存在的充分条件,为双向联想记忆神经网络的设计和应用提供了重要的理论依据.最后利用一个例子进行了数值仿真,仿真结果表明了结论的有效性.

带分离式蒸发冷凝器的机械压汽蒸馏系统设计

吴宏, 李育隆, 陈江

2013, 39(3): 376-380.

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提出一套蒸发器和冷凝器分离的新型机械压汽蒸馏MVC(Mechanical Vapor Compression)系统.描述了新型系统的运行过程,建立了热力循环模型,优化了运行参数,并提出了提高效率的措施.结果表明:新型系统可有效解决结垢和污物处理困难的问题;蒸发器与冷凝器间换热温差的最优解是3.7 ℃;蒸发器盘面旋转、冷凝器换热管表面疏水性处理可强化换热,提高效率.

碟式斯特林发电系统性能分析模型与仿真

李明震, 董金钟

2013, 39(3): 381-385.

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基于传热学、热力学、动力学、电学理论以及系统控制模型,建立了可用于碟式斯特林发电系统分析、设计、优化和控制的性能分析模型.模型包括太阳能聚光器、接收器、斯特林循环热力学、斯特林发动机机构动力学、起动/发电机等各子系统及相互作用关系,可分析系统从起动到全功率状态时的稳态性能和动态特性.使用该模型对碟式斯特林系统进行了仿真分析,结果表明,在发动机热端温度不变的控制条件下,系统一天内的输出电功率表现出与太阳直射强度类似的抛物形变化,系统效率变化较平稳;系统充气过程压力突增,在太阳直射强度不变的情况下,发动机热端温度下降,发电功率先增加一点,后随温度下降而下降.

树型变换下高阶多智能体系统鲁棒一致性方法

崔艳, 贾英民

2013, 39(3): 386-390.

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采用树型变换方法研究了具有变拓扑网络结构的高阶多智能体系统鲁棒一致性控制问题.通过该方法对系统进行降阶,并根据降阶系统动态特征定义恰当的被控输出,将一致性问题转化成鲁棒L₂-L_∞控制问题.在系统存在不确定时滞情形下,得到一个以线性矩阵不等式形式给出的一致性条件,并求得时变通信时滞的最大容许值.在系统中还存在外部干扰情形下,得到该多智能体系统具有期望抑制扰动性能的一致性条件.通过多智能体系统编队控制的仿真实例验证了所得结论的正确性.

基于时延的高精度泄漏点超声定向检测方法

廖平平, 蔡茂林

2013, 39(3): 391-395.

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摘要:
针对当前气体泄漏点检测定向精度低的情况,提出一种基于时延的高精度超声检测方法.该方法利用3个呈等边三角形分布的超声传感器接收由泄漏点产生的超声波,根据3路信号的相对时延值确定泄漏点的方向.为克服采样间隔对时延估计精度的限制,采用基于三次样条插值的时延估计算法估计信号时延值,并对不同核窗长度下的各100组实验数据的时延值进行误差统计,得到其均方差并与其Cramér-Rao下界比较,发现二者的变化趋势具有良好的一致性.在此基础上研究了时延值均方差,超声传感器间距和泄漏点距离对定向精度的影响.结果表明:定向误差随时延值均方差增大而增大,随超声传感器间距增大而减小,随泄漏点距离增大而增大;定向精度比单超声传感器检测方法提高7～10倍.

基于小波变换的光纤周界定位系统

钟翔, 张春熹, 林文台, 梁生

2013, 39(3): 396-400.

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摘要:
为提高基于双Mach-Zehnder干涉仪结构的光纤周界定位系统的定位精度,对信号频率范围及信噪比对系统定位精度的影响进行了理论分析和仿真研究.在此基础上,提出在选用光缆时需要兼顾对外界振动的敏感性和对外场复杂环境的适应性,以确保在长期可靠运行的前提下,扩展采集信号的频率范围;使用小波阈值降噪算法,提取振动信号的有效频率成分,滤除噪声,提高信噪比.最后进行了监测距离31 km的外场实验,验证了所选用光缆的优良性能和小波降噪算法的有效性.

轮爪式探测车Rabbit的运动性能分析

岳荣刚, 宋凌珺, 王少萍

2013, 39(3): 401-405.

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为了提高机器人的越障能力,设计了一种新型探测车Rabbit,该车装有4个轮爪式车轮.介绍了轮爪式车轮的原理,以及Rabbit样机移动系统和控制系统的设计,并通过实验对其进行了运动性能分析.结果表明:Rabbit可以在各种地形中自如运动,如台阶路面、斜坡路面、多障碍路面和月球模拟土壤中等.Rabbit还可以越过高度为车轮半径1.4倍的台阶,并能越过斜度为40°的斜坡,性能优于普通圆形车轮.该轮爪式探测车适用于行星探测或野外探测.

机器人全闭环定位误差因素敏感度分析

齐立哲, 陈磊, 王伟, 余蕾斌

2013, 39(3): 406-410.

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摘要:
针对因影响定位误差因素较多而不易对机器人定位误差进行准确标定的问题,首先建立了基于雅克比矩阵的机器人全闭环定位误差数学模型;然后给出了用于分析各因素单点敏感度的机器人单因素微分定位误差及相对单因素微分定位误差公式;接着采用正交实验法设计了能全面反映机器人定位误差分布的姿态样本空间并基于区间概率密度给出了单因素综合微分定位误差及相对单因素综合微分定位误差公式;最后通过仿真分别分析了机器人各因素对其定位误差影响的单点敏感度及多点综合敏感度,为进一步进行机器人定位误差的标定打下了基础.

一种全局的无关线性图嵌入故障特征提取算法

唐荻音, 于劲松, 陈雄姿, 王宏伦

2013, 39(3): 411-415.

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摘要:
针对故障特征数据维数高、非线性且系统难以建立物理模型的故障诊断问题,提出了一种全局的无关线性图嵌入故障特征提取算法.通过监督学习建立原始特征的关系图,以线性图嵌入为框架进行特征降维.特征的降维过程既保留了同类数据的局部结构,又考虑了异类数据之间的全局分布,同时最大程度地消除了特征之间的统计相关性.在标准故障数据集上的实验结果表明:与已有的经典算法相比,能更有效地提取出故障的典型特征,因而更有利于故障诊断系统训练网络的快速收敛,实现快速、准确的故障诊断.

仿真技术在滚动阻力测试设备研发中的应用

张绍国, 高峰, 徐国艳, 崔莹

2013, 39(3): 416-420.

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摘要:
为保证滚动阻力测试数据的精度,需对影响设备测试性能的关键因素进行评估预测.基于检测设备的测试原理,建立了轮胎滚动阻力的数值仿真模型,通过对采集的传感器输出物理量进行算法处理,模拟多工况下滚动阻力的测试特性.改变转鼓和轮轴中心线的相对基准位置,在对测试数据差异性分析的基础上,采用一次正交回归算法对采集的数据进行误差修正.与实验室的实测数据进行对比验证,趋势性试验表明该测试模型能够正确反映滚动阻力与控制条件之间的响应关系,表明该测试模型具有较高的可靠性;重复性试验表明滚动阻力修正模型能够减小设备的系统误差,提高现有设备的测试精度.仿真结果为相关设备的研发提供了实践依据.

基于GPU的LDPC存储优化并行译码结构设计

葛帅, 刘荣科, 侯毅

2013, 39(3): 421-426.

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摘要:
提出了一种基于Nvidia公司Fermi架构图形处理单元(GPU,Graphic Processing Unit)的分层低密度奇偶校验LDPC(Low-Density Parity-Check)码译码算法的译码器结构优化设计.利用GPU架构的并行性特点,采用帧间与层内双重并行的处理方式,充分利用流多处理器硬件资源,有效缓解了分层译码算法并行度受限的问题.此外,通过采取片上constant memory存储器压缩存储校验矩阵以及利用片外global memory存储器对译码迭代信息进行联合访问的优化方法,有效降低了访存延迟,提高了译码吞吐率.测试结果表明,通过采用多帧并行处理和存储器访问优化可以提升基于GPU的LDPC译码器吞吐率14.9～34.8倍.