旋转力学系统的长期稳定性及其工程应用

引言旋转力学系统包括各类陀螺仪、机械转子和各类飞行器(火箭,卫星和行星际站)等.另外,各种天体都普遍作着多种多样的旋转运动,例如地球、行星的自转和绕太阳的公转,恒星和星系的旋转,这些都属于旋转力学系统的研究范畴.     

地球重力场空间探测: 回顾与展望

地球重力场的科学数据在地球测绘学、冰川学、陆地水循环、固体地球物理、灾害监控及国防军事等领域具有重要应用价值. 美、德合作研制的地球重力场反演与气候实验(gravity recovery and climate experiment, GRACE)卫星, 有力地推动了地球重力场测量、反演和应用. 为进一步提高重力卫星科学数据的时、空分辨率, 扩展应用领域, 中国及欧美等国都考虑发射升级的重力卫星, 即后GRACE 计划(GRACE-follow-on). 本文将简单回顾重力卫星的发展历程, 介绍重力卫星的数据采集技术和反演方法, 亦着重阐述后GRACE计划的测量方法学、关键技术及预期结果.      

基于地球红外辐射场的旋转弹丸姿态测试方法

针对微惯性器件无法满足高转速弹丸飞行过程中的滚转姿态测量要求的问题,提出了基于地球红外辐射场的旋转弹丸姿态测试方法。首先,研究了地球红外辐射场的产生机理和特性,分析了天地间红外辐射率的变化规律。然后,结合旋转弹丸在飞行过程中的运动特征,建立了红外传感器测量模型,推导了弹丸姿态与传感器感测信号的函数关系。最后,合理布局红外传感器,基于误差传递的原理,改进了常规的姿态解算算法,进一步提高了传感器测试信号的利用率。结果表明,利用地球红外辐射场测姿具有较高的精度,俯仰角解算误差在±0.3°以内,改进解算方案的横滚角解算误差在±0.5°以内。该姿态测量系统简单有效,能够满足旋转飞行体的姿态测量要求。     

基于RBF网络的信息融合在SAMS故障诊断中的应用

针对卫星姿态测量系统(SAMS)，将径向基函数RBF(Radial Basis Function)网络和多传感器信息融合技术相结合，并将其应用在系统的故障检测与诊断中。研究结果表明，此方法是可行有效的，可以提高系统的测量精度和性能。     

旋转固体火箭上面级章动不稳定动力学机理分析

针对上面级旋转固体火箭发动机出现的章动不稳定现象,即锥形运动发散,通过对变质量陀螺运动方程干扰力矩项的研究,得出了发动机内部流动质量产生的附加侧向扰动力矩是诱发上面级固体火箭锥形运动发散的动力学根源,并得到了其章动不稳定的发生判据。基于此判据,给出了通过提高火箭自旋转速和横向转动惯量来解决上面级旋转固体火箭发动机章动不稳定现象的方法;并得出较高的气动静稳定设计和低密度的高空环境,是尾翼稳定旋转火箭弹发生“掉弹”现象的根源。     

某型舰载单轴旋转调制捷联惯导姿态角误差修正方法

某型舰载单轴旋转调制捷联惯导在航天远洋测量船进行了搭载试验,以成熟的某型平台式惯性导航系统为基准进行了性能比对分析,数据处理发现两者姿态角之差伴随着捷联惯导单轴旋转调制的角度存在较为明显的阶梯现象。捷联惯导数据误差源分析结果表明,单轴旋转平台不水平是引起上述现象的根本原因。针对上述情况,构建姿态角误差补偿数学模型,采用最小二乘拟合方法对相关系数进行了计算并修正了阶梯现象,最后采用随机数据对建模结果进行了再次验证。研究结果表明基于最小二乘拟合的修正方法,消除了旋转平台不水平对单轴旋转调制捷联惯导姿态数据的影响,为后续设备的改进提供了方向。     

自由进动陀螺章动阻尼分析

一、引言 旋转刚体(如陀螺转子、自旋卫星等)受到力矩的干扰或由于角动量矢量在惯性空间中方向的改变就产生章动运动。章动要影响陀螺或卫星的姿态和瞄准精度,必须阻尼掉。环形充液章动阻尼器是阻尼章动的器件之一。 旋转刚体与阻尼器质量的耦合运动方程是难以求解析解的。通常采用略去阻尼器质     

中国科学院地球物理研究所地球动力学高温高压实验室介绍

中国科学院地球物理研究所地球动力学高温高压实验室是以高温高压岩石三轴流变实验研究为主要方法.其工作范围是岩石介质在相应的温压范围(常温,32MPa 围压;200℃、500MPa 围压;400℃,800MPa 围压;1500℃,3GPa 固体围压)内的物理性质,力学性质     

旋转弹体表面红外辐射干扰补偿模型

针对地球红外辐射姿态测试方法中弹体表面红外辐射干扰较大的问题,建立旋转弹体自身红外辐射补偿模型,从而提高弹体姿态测量精度。首先,采用瞬态热平衡微分方程推导出旋转弹体表面温度变化曲线,获取弹体自身红外辐射亮度。然后,根据地球红外辐射及其在大气中的传播规律,建立了弹体自身红外辐射补偿数学模型。最终结合红外传感器输出和所推导的补偿模型,估算红外辐射补偿参数。结果表明补偿后姿态角解算误差显著降低,俯仰角和横滚角解算误差最终分别保持在±0.2°和±0.4°以内。本方法对姿态测量误差的减小具有显著效果,补偿方法简单有效,对旋转弹体的红外姿态测试技术的研究具有借鉴意义。     

旋转大气中运动的适应过程

在地球和行星上的流体大尺度运动中,压力梯度力与科氏力经常处于准平衡状态(“地转平衡”);当有局部地不平衡扰动时,将进行“地转适应过程”,迅速重新达到平衡状态.此外,全球规模的大气运动常常有恢复到轴对称环流的趋势;而且在长时间内进行平均,也是扰动能量转移到轴对称环流能量中去,即适应于地球(行星)的旋转状态,称之为“旋转适应过程”.这是两种基本的动力学过程.本文简介我们关于这方面的一些主要理论研究结果,证明这两种过程的存在性,并给出与此有关的许多重要的旋转流体运动的性质.     

SJ-10返回式卫星上的SCCO项目

SCCO项目是一个已持续了多年的国际合作项目,其英文全称为Soret Coefficients in Crude Oil,即原油中的Soret系数.在SJ-10返回式卫星项目中,中欧双方就SCCO项目展开合作,共同研制相关的载荷设备,搭载SJ-10卫星进行空间实验,本文简单介绍了该项目科学实验的研究目标和意义、空间实验内容,并对后期科学研究进行了展望.     

基于MEMS技术的微型流量传感器的研究进展

流量测量是工业生产和科研工作的重要的检测参数.近年来,随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研究和取得的进展,传统的工业和流体力学研究的流量传感器向高集成度,微型化,高精度,高可靠性方向发展,同时生命科学的发展大大促进了用于微流体,生物学、医学、卫生、食物等学科研究新型微型流量传感器的研究开发, 微型流量传感器已成为MEMS的重要研究方向.本文对基于MEMS技术的流量传感器技术的原理、分类作了简要介绍,归纳和评述了各种基于MEMS技术的流量传感器(热式型,差压型,升力型,流体振动型, 科里奥利型及仿生型微型流量传感器等)的生产工艺和应用特点,并对基于MEMS技术的微型流量传感器的校正方法做了总结归纳.介绍了国内在微型流量传感器方面的研制工作.最后总结归纳出基于MEMS技术的流量传感器发展不同阶段并阐述了各个阶段的发展特点,并对基于MEMS技术的流量传感器新的发展趋势进行了展望.      

一种GNSS/INS/LiDAR组合导航传感器安置关系快速标定方法

卫星导航/惯性导航/激光扫描传感器(GNSS/INS/Li DAR)组合导航定位方法是室内外无缝导航定位的研究热点。而传感器之间高精度安置关系的确立是传感器位姿信息融合的基础,也是制约高精度组合导航定位的重要因素。针对该问题,采用三维激光扫描测量技术和多台经纬仪交汇测量的方法,设计组合导航定位系统室内高精度快速标定方案,建立传感器安置参数解算数学模型,完成了GNSS杆臂值和激光扫描传感器安置参数的标定。使用微分方程分析、蒙特卡罗法对标定结果进行精度分析,仿真实验与实际测试结果表明,传感器安置参数精度对高精度组合导航定位的影响不可忽略,采用所提出的联合测量方法,可以快速获取毫米级精度的传感器位置安置参数和角分级的传感器姿态安置参数,满足组合导航定位系统传感器安置关系标定的精度需求。     

一种旋转载体用角速率传感器模型

提出了一种利用旋转载体自身的旋转作为驱动，从而敏感旋转载体横滚或俯仰的角速率传感器模型，并运用陀螺力学理论建立传感器的动力学方程、求得解析解，对传感器进行动力学误差分析。     

压电晶体应力传感器匹配误差的试验研究

引言用应力传感器对固体介质中的应力进行测量时,一般将传感器埋置在被测的介质中。由于传感器的弹性模量与介质的弹性模量不一致,传感器的变形会引起其周围介质的应力重新分布,使传感器上受到的实际应力不同于自由场的应力,由此而产生的误差称为匹配误差。     

地球物理流体力学简介

地球物理流体力学,是流体力学的一个古老而又年青的独立分支。研究内容包括:地球大气、海洋、河流、地幔等的动力学,海洋大气相互作用,以及分层流体、旋转流体的一般理论等。它具有尺度大,需要特别重视密度(或熵)的不均匀性,重力与科里奥利力的作用等特点。虽然,早在一两个世纪以前,就不断有许多流体力学家注意研究与地球科学相关的      

基于粒子滤波的微小卫星姿态确定算法

为了提高非线性卫星姿态控制系统的滤波性能,在建立了采用磁强计及太阳敏感器的卫星姿态模型的基础上尝试了新兴的粒子滤波(PF)算法对卫星系统进行姿态估计,进而对采用矢量观测的三轴稳定卫星的姿态确定问题进行了滤波算法的实时仿真,并将四元数转换成旋转矢量引入了粒子滤波算法,最后给出了卫星模型在不同粒子数目下的滤波性能比较,并在系统初始误差较大的情况下将粒子滤波算法与EKF滤波算法进行了滤波性能的对照。仿真结果表明,粒子滤波算法对粒子数目具有明显的依赖性,但是当粒子达到一定的数目时,粒子滤波的精度以及滤波稳定性都可以得到保证,尤其是在系统初始误差较大的情况下粒子滤波算法更显示了其优于EKF算法的滤波性能。     

三维轴对称旋转等离子体的平衡方程以及与静力学平衡的比拟

对于一般三维轴对称旋转等离子体的平衡,1983年E.Hameiri曾给出其方程,它包括一个Bernoulli型积分,和一个复杂的非线性偏微分方程。后者包含五个任意一元函数。本文在假定密度是角向磁通的函数后,把偏微分方程简化为: L(f) a(f) R~2b(f) R~4c(f)=0 它仍然包含五个任意一元函数。这个方程可作为一种讨论三维轴对称旋转等离子体平衡的基础.如果c(f)=0,方程则化为Grad-Shafranov型方程.c(f)=0给出几个任意函数的一个关系。因此这时方程只包括四个任意一元函数。这样,我们就建立了有流动时的平衡与静力学平衡的比拟。对于纯环向旋转情形,1980年E.K.Maschke等曾给出其平衡方程,这是一个包含四个任意一元函数的非线性偏微分方程。本文未作任何假定,把它化为Grad-Shafranov方程,其中包括四个任意一元函数。从而也建立了纯环向旋转平衡与静力学平衡之间的比拟。如果再假定密度是磁通的函数,则可得到一个与上面方程类似的基本方程。     

配置柔顺机构空间机器人双臂捕获卫星操作力学模拟及基于神经网络的全阶滑模避撞柔顺控制

讨论了空间机器人双臂捕获卫星操作过程避免关节冲击破坏的避撞柔顺控制问题. 为此在关节电机与机械臂之间设计了一种旋转 型串联弹性执行器(rotatory series elastic actuator, RSEA)--柔顺机构,其作用在于:(1) 通过其内置弹簧的拉伸或压缩变形来吸收捕获操作过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;(2) 可以利用合理设计的与之配合的避撞柔顺控制策略来保证关节冲击力矩受限在安全范围. 首先,利用第二类Lagrange方程分别建 立了捕获操作前含柔顺机构双臂空间机器人的开环分系统动力学模型与目标卫星的分系统动力学模型;之后,基于系统动量 守恒关系、闭链系统位置与速度几何约束关系,获得了捕获操作后空间机器人与被捕获卫星闭链混合体系统综合动力学方程; 最后,基于RBF神经网络提出了一种捕获操作后两者混合体系统镇定运动的全阶终端滑模避撞柔顺控制方案. 所提方案结合柔 顺机构在有效吸收、缓冲被捕获卫星冲击能量的同时,还在冲击能量过大时适时开、关空间机器人关节驱动器,以避免关节驱 动器过载、破坏;此外,还通过最小权值范数法分配了机械臂各关节力矩,以保证双臂协调操作. Lyapunov稳定性理论证明了 系统的全局稳定性,系统计算机数值仿真也验证了上述避撞柔顺控制策略的有效性.      

配置柔顺机构空间机器人双臂捕获卫星操作力学模拟及基于神经网络的全阶滑模避撞柔顺控制

讨论了空间机器人双臂捕获卫星操作过程避免关节冲击破坏的避撞柔顺控制问题.为此在关节电机与机械臂之间设计了一种旋转型串联弹性执行器(rotatory series elastic actuator, RSEA)——柔顺机构,其作用在于:(1)通过其内置弹簧的拉伸或压缩变形来吸收捕获操作过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;(2)可以利用合理设计的与之配合的避撞柔顺控制策略来保证关节冲击力矩受限在安全范围.首先,利用第二类Lagrange方程分别建立了捕获操作前含柔顺机构双臂空间机器人的开环分系统动力学模型与目标卫星的分系统动力学模型;之后,基于系统动量守恒关系、闭链系统位置与速度几何约束关系,获得了捕获操作后空间机器人与被捕获卫星闭链混合体系统综合动力学方程;最后,基于RBF神经网络提出了一种捕获操作后两者混合体系统镇定运动的全阶终端滑模避撞柔顺控制方案.所提方案结合柔顺机构在有效吸收、缓冲被捕获卫星冲击能量的同时,还在冲击能量过大时适时开、关空间机器人关节驱动器,以避免关节驱动器过载、破坏;此外,还通过最小权值范数法分配了机械臂各关节力矩,以保证双臂协调操作. Lyapunov稳定性理论证明了系统的全局稳定性,系统计算机数值仿真也验证了上述避撞柔顺控制策略的有效性.