从国际深空探测大赛看理论力学教学及力学竞赛

1 国际深空探测轨迹设计大赛简介 太阳系中存在很多小行星,它们有着丰富的稀有金属资源,同时,一些近地小行星对地球的安全存在潜在的威胁.     

充液挠性航天器俯仰运动 1:1:1 内共振动力学分析

采用已推导的俯仰运动矩形贮箱受控刚-液-弹耦合系统在外力矩作用下的耦合动力 学模型，在刚体上加入控制项，详细分析了系统固有频率的精确解与近似解. 应用多尺 度法对耦合系统1:1:1内共振进行解析分析，与数值解比较验证解析解的正确性. 通过近 似解析分析得到刚-液-弹之间的耦合作用机理：1) 液深影响整个系统的软硬特性，当液体发 生软硬特性转化时，处于液体原多值频率区域的刚体和弹性体幅频曲线分支峰值会减弱，且 具有相同的特性转化趋势；处于液体新多值频率区域的刚体和弹性体幅频曲线分支峰值会增 强，且具有相反的特性转化趋势. 2) 刚体和弹性体幅频曲线的峰值均在以受控刚体和弹性体 为主的耦合系统固有频率处，以液体为主固有频率激励，刚体和弹性体振幅较小.     

纵向参数激励下平动刚-液耦合系统稳定性

纵向参数激励下液体晃动稳定性是航天器动力学中一个广受关注的问题,然而在以往的研究中没有考虑液体晃动与航天器运动之间的耦合作用对系统参数振动稳定性的影响. 建立了用液体晃动等效单摆模型描述的纵向激励下平动刚-液耦合系统的Mathieu方程,采用摄动法确定了耦合系统1/2亚谐波振动和谐波振动的激励幅-频稳定性边界. 研究发现,液体晃动与主刚体横向运动的耦合作用扩大了参数振动不稳定区, 并使其向高频移动,影响的程度随等效晃动质量的减小而减小;液体晃动模态阻尼对1/2亚谐波振动不稳定区的缩小作用远弱于对谐波振动不稳定区的缩小作用. 对耦合系统第1阶液体晃动模态1/2亚谐波振动响应的研究表明:当纵向激励参数在不稳定区内时,可能引起主刚体的纵横耦合振动现象.      

带弹性附件充液矩形贮箱俯仰运动动态响应

首先建立了俯仰运动矩形贮箱刚-液-弹耦合系统在外力矩作用下的耦合动力学模型,给出满足边界条件的速度势函数和液面波高的级数表达式,采用伽辽金法离散,将动力学模型转化为常微分方程组,得到刚-液-弹耦合系统的固有频率,给出简单的近似表达式,分析了转动中心距静液面不同位置时刚-液-弹耦合系统各阶固有频率的变化规律,系统转动中心距静液面较近时,耦合后液体反对称模态和刚体的固有频率对比耦合前减小,较远时则增大,最后进行数值验证,比较分析了液体和弹性体对刚体姿态的影响．     

Robust attitude control for rapid multi-target tracking in spacecraft formation flying

A robust attitude tracking control scheme for spacecraft formation flying is presented. The leader spacecraft with a rapid mobile antenna and a camera is modeled. While the camera is tracking the ground target, the antenna is tracking the follower spacecraft. By an angular velocity constraint and an angular constraint, two methods are proposed to compute the reference attitude profiles of the camera and antenna, respectively. To simplify the control design problem, this paper first derives the desired inverse system （DIS）, which can convert the attitude tracking problem of 3D space into the regulator problem. Based on DIS and sliding mode control （SMC）, a robust attitude tracking controller is developed in the presence of mass parameter uncertainties and external disturbance. By Lyapunov stability theory, the closed loop system stability can be achieved. The numerical simulations show that the proposed robust control scheme exhibits significant advantages for the multi-target attitude tracking of a two-spacecraft formation.     

用于ALE有限元模拟的网格更新方法

任意拉格朗日欧拉法(ALE)可以通过定义参考网格的运动,实现自由液面跟踪,完成液体晃动的数值计算. 综合用于更新网格节点的3种基本计算方法,将多方向更新网格速度的技术应用于任意拉格朗日欧拉网格节点的速度计算. 给出了水平圆柱形贮箱和椭圆形贮箱内液体晃动算例,实现了多方向更新网格运动与晃动流场计算的耦合,使ALE方法能胜任复杂几何边界下的自由液面流动的数值模拟.      

航天器编队飞行多目标姿态快速跟踪鲁棒控制

研究了航天器编队飞行多目标姿态跟踪鲁棒控制问题．主航天器装有一个快速机动天线和一个星载相机．考虑相机对地面目标跟踪,同时考虑天线与从航天器通信的空间任务．通过引入角速度约束和姿态角约束,分别推导了相机和天线的参考姿态角、角速度和角加速度．提出期望逆系统的概念,将三维空间姿态跟踪问题转化为调节问题,简化了控制器的设计．考虑存在参数摄动和外部干扰力矩的情况,基于期望逆系统和滑模控制,设计了鲁棒姿态跟踪控制器,并利用Liapunov稳定性理论证明了控制系统的渐近稳定性．以两航天器编队飞行多目标跟踪为例进行数值仿真,结果表明所设计的控制器具有良好的鲁棒性和优越的跟踪性能．     

双足模型步行中的倍周期步态和混沌步态现象

被动行走模型只依赖重力可以在斜坡上形成自然的周期步态.当模型参数改变时,步态随之改变.应用胞映射方法与Newton-Raphson迭代结合来获取被动行走模型周期步态的不动点,消除了迭代方法在初值选取上的随机性,并获得了模型的吸引盆.通过对不同参数的模型的仿真,讨论了参数变化对步态的影响.结果表明,转动惯量增大会导致倍周期步态到混沌步态的产生,足半径减小和质心位置降低也会导致分岔的出现. 关键词： 胞映射 双足步行 倍周期 混沌     

基于卷积神经网络与投票机制的蒲黄炮制品近红外判别方法

蒲黄炭是由香蒲花粉炮制而成,具有止血、化瘀、通淋等多种功效,被广泛应用于临床抗血栓,创面和出血。然而蒲黄炭在炒炭过程中,常常会出现炭化过轻或者炭化过重的现象,从而出现不同炭化程度的蒲黄炭药品,主要为轻度炭化、标准炭化与重度炭化三种不同的蒲黄炭药品。由于炭化程度不同,蒲黄炭的凝血效果优劣不等,其中标准炭化的蒲黄炭药品药效最优。目前,鉴别蒲黄炭药品的方法多为人工凭借肉眼与经验进行判别。基于人工的蒲黄炭药品判别方法判别效率低,受主观因素影响大,判别结果不稳定,难以区分出标准炭化的蒲黄炭。为有效地对不同炭化程度的蒲黄炭进行识别,提出一种基于卷积神经网络与投票机制的蒲黄炮制品近红外判别方法。该方法创新性地结合深度学习与机器学习算法,有效利用卷积神经网络强大表征提取能力的同时通过投票决策提升算法模型的泛化能力与鲁棒性。首先通过近红外光谱技术获取蒲黄炭的近红外光谱,并通过卷积神经网络分别提取样本经过四种预处理方法所得到光谱图的高阶特征,并计算预测结果。按照样本准确率与损失值为四种预处理方法分配相应权重得到蒲黄炮制品预测模型。该模型将所得到的四种预测结果结合权重共同投票出样本的最终结果,从而鉴别出蒲黄炭的炭化程度。实验结果表明所提方法可以有效判别蒲黄炮制品的炭化程度。当训练集所占样本比例为80%时,预测准确率达到95.4%。所提方法与传统卷积神经网络方法、线性判别分析方法以及标准正太变量变换-线性判别分析方法相比预测准确率分别提高8.6%,4.3%和2.6%。同时,所提方法具有一定的稳定性,当训练集所占样本比例大于70%时,测试准确率高于90%;当训练集比例仅占10%时,预测准确性仍然能够达到约80%。     

组氨酸修饰普鲁士蓝的制备及与银离子的作用

利用水热法合成了组氨酸修饰的普鲁士蓝(HisPB). 通过扫描电子显微镜(SEM), X射线衍射(XRD)以及紫外-可见分光光度计(UV-Vis)等对合成的HisPB样品进行了形貌和结构表征. 与未经修饰的普鲁士蓝(PB)相比, 组氨酸修饰的普鲁士蓝粒子体积更大, 表面更光滑, 表面官能团增多, 这些因素显著提升了普鲁士蓝在碱性溶液中的稳定性. 确定了HisPB用于检测银离子的最佳pH值为10, 通过监测HisPB与银离子反应后其紫外光谱在800 nm处的吸收峰强度变化以及溶液颜色的改变, 实现了对6~40 μmol/L浓度范围内银离子的检测.