带多个弹道路径点约束的扩展MPSP制导方法

针对弹道导弹临近空间低弹道突防问题,对仅仅满足末端输出量约束的模型预测静态规划(MPSP)制导方法进行扩展,提出了带弹道路径点约束的扩展MPSP制导方法。通过在临近空间中段飞行弹道上设置一系列弹道路径点约束,依靠这种策略调节中段飞行弹道的形状,提高弹道导弹的机动突防能力。通过仿真对扩展MPSP制导方法的有效性进行验证,仿真结果表明扩展MPSP制导方法能很好地满足临近空间中段低弹道飞行弹道路径点约束,弹道路径点处的角度偏差可控制在0.1°范围内,位移偏差可控制在1.0 m范围内。     

一种带有末端弹体姿态角约束的非线性制导律

针对带有末端多约束的三维非线性制导问题,设计了一种通用模型预测静态规划制导算法。该制导算法通过向后迭代求解权矩阵微分方程对控制量进行更新,将动态优化问题转化为静态优化问题,计算效率得以提高。阐述了通用模型预测静态规划制导算法的基本原理,详细给出了基于通用模型预测静态规划算法的制导律设计过程。所设计的制导律满足末端法向加速度约束,因此,间接满足末端弹体姿态角约束。仿真时考虑目标的机动方式和落角约束,仿真结果表明,末端位移偏差小于0.5 m,末端落角可控制在0.01°范围内,末端法向加速度小于0.01 m/s2,该制导律能够很好地满足末端位移、落角和法向加速度约束。     

基于动压约束的高超声速飞行器机动突防制导策略

针对高超声速飞行器临近空间机动突防问题,提出一种基于最低动压约束的高超声速飞行器临近空间大空域机动策略。对基于模型预测静态规划(MPSP)制导方法进行改进,末端时刻输出量考虑末端时刻时间偏差影响,性能指标函数考虑控制量输入约束影响,推导得到带多个航路点约束的扩展MPSP制导方法。根据战场态势对航路点处的动压进行约束,调节飞行轨迹的形状,实现临近空间大空域机动突防。通过仿真对所提出的制导方法有效性进行了验证,结果表明该制导方法能够很好地满足航路点处约束条件,各航路点处动压偏差在1.0 N/m~2范围内,航迹倾角偏差在0.1°范围内,高度偏差在1.0 m范围内,实现了高超声速飞行器临近空间自主机动突防。     

单足机器人周期跳跃控制的虚拟约束方法

 研究单足机器人周期跳跃控制问题．弹簧支撑倒立摆模型可以比较准确地描述动物的跳跃行为，但无控制的自然跳跃抗干扰能力较差，一般采用轨迹跟踪控制方法实现单足机器人周期跳跃．当系统存在比较大的误差时，传统的时间轨迹跟踪控制方法存在明显的不足．引入虚拟约束技术，采用基于空间路径跟踪的控制方法可以克服时间轨迹跟踪的不足．采用点足机器人模型，并通过控制腿伸缩的方式为系统提供动力，将跳跃过程分为地面摆动和腾空飞行两个阶段，并通过起飞和着陆两个事件完成两个阶段之间的转换，整个系统模型属于欠驱动非光滑动力学系统．根据简化的动力学方程获得系统的虚拟约束解析表达式，并采用部分反馈线性化方法结合PD 控制设计系统的控制律．分析了系统的混合零动力学方程，并证明了闭环系统的临界稳定性．仿真结果表明，提出的控制方法可以实现单足机器人的周期跳跃控制，并且对外部干扰具有较强的鲁棒性．     

基于混合优化的运载器大气层内闭环制导方法

针对运载器大气层内最优闭环制导问题,研究了一种将求解最优控制问题的间接法与直接法相结合求解最优上升轨迹的轨迹在线规划与闭环制导方法。该方法采用高斯伪谱法求解基于间接法推导的最优上升轨迹两点边值问题,能以较少的离散节点获得较高的求解精度,并具有较高的求解效率。为了进一步保证制导的实时性与飞行安全要求,提出了轨迹在线规划与闭环制导策略。最优上升轨迹求解结果表明,在同等的求解精度条件下,混合优化算法的离散节点个数仅为间接法的25%~40%,计算效率提高了50倍左右。建立导航模型进行闭环制导蒙特卡洛打靶仿真,制导算法满足实时性与过程约束要求,关机点高度、速度、弹道倾角及轨道倾角的最大偏差分别为-8.93 m、-3.35 m/s、0.015°、0.0018°,算法具有较高的制导精度。     

论轮式移动结构的非完整约束及其运动控制

当质点沿光滑曲线运动时,必须满足横向速度为零的条件.同样地,不同轮式移动结构在平面上做光滑曲线运动时都需要满足该非完整约束条件.本文结合轮子转速和它们运动速度的完整约束关系,理清各轮式移动结构的完整和非完整约束,然后利用 Euler-Lagrange 方程方便地推导出相应的动力学方程.另外,通过该非完整约束,将目标轨迹曲线转化为速度目标的形式,然后引入目标轨迹曲线的相对曲率设计合适的动态跟踪目标.进一步,通过采用该动态跟踪目标可以将轮式移动结构的运动规律和动力学方程有机结合起来,并将原运动任务简化为一般的 轨迹 控制问题.基于该动态跟踪目标可以为轮式移动结构设计合适的鲁棒跟踪控制器,通过跟踪目标轨迹曲线的相对曲率来实现对目标曲线的精确跟踪.最后,理论分析和仿真结果显示,采用动态目标跟踪方法能够从根本上解决初始速度误差过大和位置误差不断被累积的问题,即使前向速度误差系统不稳定的,实际运动轨迹也几乎能和目标轨迹曲线重合.      

一种改进 RRT* 结合四次样条的协调路径规划方法

针对空间机器人抓捕空间非合作目标的在轨服务任务,同时考虑机器人运动学约束和动力学约束,提出一种分层式的自由漂浮双臂空间机器人协调路径规划方法. 首先,在路径规划层面上基于 RRT* 算法分别规划双臂末端执行器在笛卡尔空间下的初始可行路径,为双臂设置独立的采样空间,保证路径规划过程中双臂系统不发生自身碰撞. 然后,在轨迹规划层面上利用四次样条曲线平滑 RRT* 算法生成的初始路径,设计满足样条曲线的一阶、二阶及三阶微分连续约束,同时考虑机械臂末端执行器的初末速度约束条件、初始加速度约束条件,得到适合于空间机器人执行的动力学可行的平滑 轨迹.最后,计算所规划路径的最大速度、最大加速度与机械臂末端执行器物理极限值的比值,取最小上限,即为最少路径规划时间. 所提路径规划方法能够设计出满足特定路径点约束的协调路径,且所设计的路径考虑了机械臂的物理限制条件,通过对自由漂浮双臂空间机器人进行仿真试验,验证了所提路径规划算法的有效性.      

COORDINATED PATH PLANNING BY INTEGRATING IMPROVED RRT$^{\small*}$ AND QUARTIC SPLINE$^{\bf 1)}$

针对空间机器人抓捕空间非合作目标的在轨服务任务,同时考虑机器人运动学约束和动力学约束,提出一种分层式的自由漂浮双臂空间机器人协调路径规划方法. 首先,在路径规划层面上基于 RRT* 算法分别规划双臂末端执行器在笛卡尔空间下的初始可行路径,为双臂设置独立的采样空间,保证路径规划过程中双臂系统不发生自身碰撞. 然后,在轨迹规划层面上利用四次样条曲线平滑 RRT* 算法生成的初始路径,设计满足样条曲线的一阶、二阶及三阶微分连续约束,同时考虑机械臂末端执行器的初末速度约束条件、初始加速度约束条件,得到适合于空间机器人执行的动力学可行的平滑 轨迹.最后,计算所规划路径的最大速度、最大加速度与机械臂末端执行器物理极限值的比值,取最小上限,即为最少路径规划时间. 所提路径规划方法能够设计出满足特定路径点约束的协调路径,且所设计的路径考虑了机械臂的物理限制条件,通过对自由漂浮双臂空间机器人进行仿真试验,验证了所提路径规划算法的有效性.     

基于模型预测静态二阶锥规划的协同末制导

针对现有序列二阶锥规划求解协同末制导时速度较慢,难以满足实时性要求的问题,结合模型预测静态规划(MPSP)与二阶锥规划(SOCP),提出一种基于模型预测静态二阶锥规划的协同末制导算法.首先,建立考虑过载约束的飞行器协同末制导模型;然后,在MPSP算法基础上,提出终端时间自由的MPSP算法;进一步将有约束的MPSP问题转...     

位移约束下智能桁架的强度最优控制

针对智能桁架结构，提出了在考虑多点位移约束的情况下，使结构工作应力处于最佳状态的规划法最优控制模型。当结构位移约束起主要作用时，模型可在保证位移约束的前提下，同时尽可能提高结构的承载能力；当结构位移并不重要时，仍可用该模型来提高结构的承戴能力。对于复杂结构，为了提高控制效果，可以调整为了满足位移条件而需要的作动器数目及布置方案。文中给出了数值算例，说明该方法的调控能力。     

CONSTRAINT VIOLATION STABILIZATION OF EULER-LAGRANGE EQUATIONS WITH NON-HOLONOMIC CONSTRAINTS

Two constraint violation stabilization methods are presented to solve the Euler Lagrange equations of motion of a multibody system with nonholonomic constraints. Compared to the previous works, the newly devised methods can deal with more complicated problems such as those with nonholonomic constraints or redundant constraints, and save the computation time. Finally a numerical simulation of a multibody system is conducted by using the methods given in this paper.     

关于分析力学中约束力的表达问题

本文针对分析力学中约束力表达式是否合理的问题,分析了约束、约束方程、约束力、位移和运动学限制等概念之间的关系并建议了一个新的关系,指出：（１）即使是理想约束,约束力也只能由约束而不是由约束方程统一确定;（２）实现运动学限誓由蝗途径不是唯一的,约束力的乘子表达式不是普遍适用的。给出了对于具体的约束,约束力表达式正确与否的判别原则。示例说明了上述论点。     

On mechanical property of constraint

ＯＮＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＰＲＯＰＥＲＴＹＯＦＣＯＮＳＴＲＡＩＮＴＷｅｉＹａｎｇ（韦杨）;ＬｉａｎｇＬｉｆｕ（梁立孚）;ＬｉａｎｇＺｈｏｎｇｗｅｉ（梁忠伟）（ＲｅｃｅｉｖｅｄＳｅｐ．６,１９９４;ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄｂｙＣｈｉｅｎＷｅｉｚａｎｇ）Ａ...     

裂尖大变形条件下的约束研究

通过面内应力比Tx和离面约束Tz在塑性区分布规律的深入分析，发现约束在塑性区不同区域的影响是不同的，在裂尖的钝化区，面内应力比Tx起重要作用，而在钝化区外的塑性区内，离面约束Tz起主要作用，在J－Q理论的基础上引入离面约束Tz可以很好地描述钝化区以外的应力应变分布，在钝化区内引入面内应力比Tx可以对裂尖前方的应力应变进行大变形分析和描述，研究表明综合两个约束的共同作用，可以很好地描述大变形条件下裂尖前方的应力分布。     

Variational problem of general displacements in non-holonomic systems

In this paper, the difference of definitional regions of two kinds of q is discussed in analytical dynamics of non-holonomic systems. Its mechanical reason is given. Finally, some difficult problems which have remained unanswered up to now are solved.     

Lyapunov stable penalty methods for imposing holonomic constraints in multibody system dynamics

This paper presents stability and convergence results on a novel approach for imposing holonomic constraints for a class of multibody system dynamics. As opposed to some recent techniques that employ a penalty functional to approximate the Lagrange multipliers, the method herein defines a penalized dynamical system using penalty-augmented kinetic and potential energies, as well as a penalty dependent constraint violation dissipation function. In as much as the governing equations are not typically cocreive, the usual convergence criteria for linear variational boundary value problems are not directly applicable. Still numerical simulations by various researchers suggest that the method is convergent and stable. Despite the fact that the governing equations are nonlinear, the theoretical convergence of the formulation is guaranteed if the multibody system is natural and conservative. Likewise, stability and asymptotic stability results for the penalty formulation are derived from well-known stability results available from classical mechanics. Unfortunately, the convergence theorem is not directly applicable to dissipative multibody systems, such as those encountered in control applications. However, it is shown that the approximate solutions of a typical dissipative system converge to a nearby collection of trajectories that can be characterized precisely using a Lyapunov/Invariance Principle analysis. In short, the approach has many advantages as an alternative to other computational techniques:

完整系统的多刚体系统离散时间传递矩阵法研究

基于多刚体系统离散时间传递矩阵法，采用提高计算精度的方法，研究具有大运动、非线性特征的完整系统在平面、空间中的动力学响应。提出了对部分变量重新赋值的违约修正方法，计算机仿真表明了其有效性。多刚体系统离散时间传递矩阵法不须进行违约修正，体现了该方法建模灵活性较强、程式化程度较高的优点。     

基于运动约束解过约束并联机构变形协调方程

提出利用运动约束关系来间接求解过约束并联机构变形协调方程．首先介绍了该方法的原理，接着分别针对平面和空间过约束并联机构，详述该方法的解决步骤，结果验证了该方法的正确性，从中还可看出该方法在求解复杂过约束并联机构时非常简洁，最后介绍了采用该方法解决多度过约束问题．     

多相材料结构拓扑优化: 体积约束还是质量约束?

针对拓扑优化设计中多年沿用的体积约束作为控制材料用量的思路, 研究了采用质量约束开展多相材料结构拓扑优化的新方法, 提出了相应的质量约束结构优化问题模型和材料插值模型. 通过研究广义SIMP模型和对等混合模型两类多相材料属性插值方法, 发现广义SIMP插值模型导致质量约束具有复杂的非线性特征, 给优化问题的全局寻优和数值求解带来困难;采用的线性对等混合材料插值策略保证质量约束函数具有线性和变量可分离特征, 为拓扑设计问题的数值求解, 特别是凸规划寻优提供了极大便利. 算例表明多相材料插值策略和结构优化模型的正确性和有效性; 优化设计结果的比较说明了使用质量约束相对于体积约束的合理性和必要性, 阐述了质量约束在解决结构轻量化布局设计问题的有效性以及所带来的显著收益.      

基于规划路径约束的地形辅助导航算法

为了提高地形辅助导航算法的精度,充分利用航行器任务规划中的先验信息,提出了基于规划路径约束的地形辅助导航算法。首先针对航行任务中的规划路径提出了"概率隧道"约束模型,将物体运动不确定性与确定性规划路径有机结合。在此基础上,提出了基于概率隧道约束的粒子滤波算法。该算法较之传统的带有等式、不等式约束的滤波器,具有更好的模型适配性,而且计算量上与普通不带约束的粒子滤波器相当。实验表明,该算法有效地利用了先验路径信息,比非约束算法有15 m左右的精度提升。