半浮区液桥振荡对流的微重力实验

利用日本微重力中心８００ｍ落井装置，完成了半浮区液桥振荡对流的微重力实验，对振荡对流的典型物理量诸如内部温度、流场、自由面边缘变化及表面波进行了综合测量。实验结果给出了振荡对流由地球重力环境向微重力环境的过渡，以及不同几何参数半浮区液桥的振荡特征，并首次获得了微重力环境下热毛细对流的表面波位形及边缘振荡特征．     

"神舟4号"飞船搭载微重力流体物理实验获得圆满成功

由中国科学院力学研究所胡文瑞院士和解京昌研究员领导的研究小组承担的“微重力液滴热毛细迁移实验”项目,利用自行研制的“通用流体实验装置”,于2002年12月30日搭载“神舟4号”飞船,圆满完成了各项预定空间实验任务.对飞船下传数据和图像的初步分析表明,实验装置全部工作正常,实验获得了圆满成功,可望得到有价值的学术成果,并在相关理论研究中取得突破.此次空间实验的成功,显示了科学家和工程师的完美结合,标志着力学所在“两弹一箭”后重返空间技术领域,再铸辉煌!     

搭载实践十号卫星的蒸发液滴空间实验研究

实践十号蒸发对流实验以微重力环境中的蒸发相变流体界面过程为主要研究内容,利用空间微重力条件下浮力对流消失和热毛细对流起主导作用的特殊环境,实验研究置于加热底板的蒸发液滴相变过程中表面蒸发与表面张力驱动对流的耦合机理.利用研制的空间蒸发对流装置完成了在轨工况的科学匹配实验,得到了不同工况(温度、液滴大小、加热底板材料)下蒸发液滴形貌和热流量、蒸发速率等变化规律.为后续空间实验结果的比对分析提供了前期结果.     

基于北斗导航卫星信号的低轨卫星自主定轨（英文）

利用北斗卫星导航信号对低轨卫星自主定轨进行了研究。首先对卫星轨道动力学方程进行了推导,建立一个考虑地球J2摄动下的卫星动力学模型,并利用4阶龙格-库塔数值积分法进行轨道传播。选用北斗卫星导航信号的伪距和伪距率作为定轨的测量方程。然后,对北斗卫星可见星的个数进行了分析。最后,采用SRUKF算法对低轨CHAMP卫星轨道状态进行估计,并通过STK8.1生成仿真数据对SRUKF、UKF和EKF算法的跟踪性能进行对比分析。仿真结果表明,在跟踪过程中最少能接收到18颗北斗卫星信号,能够满足定轨要求。在相同条件下,SRUKF算法的跟踪精度优于UKF、EKF算法,SRUKF算法能减少89%的位置误差和90%的速度误差。     

自主研制实验设备,提高实验室综合实力

自主研发实验设备是办学水平的具体体现,也是培养学员创新能力的活教材. 流体力学实验室结合军队“2110”工程建设,先后研制了机翼升阻力实验仪、自循环流场显示系统、船池拖动系统等实验设备,解决了教学急需,锻炼了实验室队伍,提高了教学质量.     

空间机器人捕获卫星操作基于柔顺装置的无源模糊避撞柔顺控制

讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受冲击及过载破坏的避撞柔顺控制问题。在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺装置——旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用一是在捕获阶段,通过其内置弹簧的变形来缓冲捕获过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;二是在捕获完成后的镇定运动阶段,结合所设计的避撞柔顺策略来适时开关关节电机以保证关节冲击力矩受限在安全范围。首先,根据拉格朗日法及牛顿-欧拉法分别建立了含柔顺装置空间机器人与目标卫星系统的动力学方程;之后,结合整个系统动量守恒关系、系统运动几何及位置约束关系,建立了捕获操作后两者形成混合体系统的动力学方程。在此基础上,针对捕获操作后不稳定的混合体系统,提出了一种基于无源性理论的避撞柔顺模糊控制方案以实现其镇定控制。最后,通过仿真实验验证了所提避撞柔顺策略的有效性。     

自主研制实验设备，提高实验室综合实力1）

自主研发实验设备是办学水平的具体体现,也是培养学员创新能力的活教材. 流体力学实验室结合军队“2110”工程建设,先后研制了机翼升阻力实验仪、自循环流场显示系统、船池拖动系统等实验设备,解决了教学急需,锻炼了实验室队伍,提高了教学质量.     

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.      

基于并联平台的卫星微振动控制研究进展

高分辨率已经成为了目前我国卫星发展的一个重要方向,在这进程中必须要攻克的一个重要技术难题就是对卫星微振动的控制.首先综述了国内外在使用并联平台解决微振动控制问题方面的发展情况,主要是平台研制及性能情况对比,对比发现,基于并联平台的微振动控制技术我国目前相比于国外还存在一定差距.然后对并联平台的典型构型设计、动力学建模、控制系统设计、平台优化以及地面模拟试验等研究进行了详细的总结.最后对我国微振动控制技术未来需要进一步深入研究的问题提出了展望.     

基于柔性机构捕捉卫星的空间机器人动态缓冲从顺控制

研究了空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受碰撞冲击破坏的缓冲从顺控制问题, 为此在机械臂与关节电机之间配置了一种柔性机构, 其作用在于: (1)在接触、碰撞阶段可通过其内置弹簧的变形来吸收被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击力矩; (2)在镇定运动阶段, 结合与之配合的缓冲从顺控制策略来适时开、关关节电机, 以保证关节受到的冲击力矩受限在安全范围. 首先, 利用多刚体系统理论获得配置柔性机构空间机器人及目标卫星分体系统动力学方程; 之后, 结合整个系统动量守恒关系, 捕获操作后系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了两者形成联合体系统的动力学方程, 并计算了碰撞过程的冲击效应与冲击力. 为了实现失稳联合体系统的镇定控制, 提出了一种基于动态面的缓冲从顺控制方案. 上述控制方案可在实现吸收捕获操作产生的冲击力矩的同时, 还能在冲击力矩过大时适时开启、关闭关节电机, 以避免关节电机发生破坏; 此外, 动态面的引入避免了反演法存在的计算膨胀问题, 有效减少了计算量. 基于Lyapunov函数法证明了系统的稳定性, 并通过系统数值仿真结果验证了上述缓冲从顺控制策略的正确性.      

自主气体轴承控制系统分析及实验研究

提出1种采用音圈电机作为可控节流器的自主电控式气体轴承新方案,可以有效提高大型光电精密仪器回转基准的精度,在实时测量回转基准径向运动误差的同时,通过主动节流器自主调节气场分布而产生控制力和调节轴承的偏移位置,达到减小径向运动量和提高回转精度的目的,同时分析了整个系统数学模型,设计了控制补偿器.采用自主控制方案后,轴承回转精度从控制前的0.3 μm提高到约0.08 μm.结果表明,该轴承系统具有良好动态品质和较高回转精度,能够广泛用于航空航天高精密惯导测试设备中.     

基于有限时间收敛的双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制

针对双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制进行了研究.为防止捕获过程中机械臂末端执行器与卫星接触、碰撞时产生的冲击载荷对机器人关节造成冲击破坏,在各关节电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼缓冲机构.该机构可通过弹簧实现冲击力矩的卸载,阻尼器则用于因弹簧引起的柔性振动的抑制.为解决捕获过程中的非完整动力学约束及捕获后混合体系统的协调控制问题,结合牛顿第三定律、捕获点的速度约束及闭链几何约束,获得捕获后混合体系统的动力学方程,且通过动量守恒关系计算碰撞冲击效应与碰撞冲击力.通过分析对接装置在载体坐标系下的运动学关系,建立对接装置相对载体的运动雅可比矩阵,并基于此建立基于力的二阶线性阻抗模型,实现对接装置输出力的精确控制.考虑到主动对接操作过程要求控制器具有收敛速度快,控制精度高的特点,通过结合终端滑模与超扭滑模的特点,提出一种非奇异快速终端滑模阻抗控制策略.该策略即能实现主动对接操作中位姿与输出力的快速响应,又能有效地抑制滑模的抖振以保证控制精度.通过Lyapunov定理证明系统的稳定性;利用数值模拟验证缓冲装置的抗冲击性能及所提阻抗控制策略的有效性.