THRUST-AMPLITUDE CONTINUATION DESIGN APPROACH FOR SOLVING SPACECRAFT OPTIMAL CONTROLLED FLY-AROUND TRAJECTORY

针对航天器燃料最优可变周期绕飞轨迹的求解问题, 提出了一种以推力幅值为延拓参数的延拓方法. 问题求解从最为简单的双脉冲绕飞轨迹出发, 首先利用有限推力替代脉冲推力, 设定推力序列为“开— 关— 开”,然后逐步减小推力幅值, 最终得到最小推力绕飞轨迹; 此后, 再逐步增加推力幅值, 结合主矢量曲线判断最优推力开关序列, 将最小推力解延拓至有限推力以及脉冲推力燃料最优解. 该方法通过对推力幅值的延拓, 实现了有限推力bang-bang 控制与脉冲推力燃料最优绕飞轨迹优化问题的一并求解, 同时避免了最优控制问题中协态变量的随机猜测. 慢速与快速绕飞算例的优化结果验证了所提出方法的有效性.     

航天器集群编队最优单脉冲机动

对航天器集群编队最优单脉冲机动问题进行了研究. 针对不同的任务约束,基于非线性相对运动的周期性条件,以解析的思路分别研究了机动时刻给定和机动时刻未定情况下集群编队的最优单脉冲机动问题. 对于机动时刻给定的情况,从高斯变分方程和基于能量匹配条件的拉格朗日乘子法两个角度分别进行了探讨,将问题转化为对一元二次方程求极值或对一个单零点非线性方程求根;对于机动时刻未定的情况,将问题转化为对一个多零点非线性方程求根,通过傅里叶-贝塞尔级数展开可以得到任意高阶近似解. 对于每种情况,推导得到二范数意义下能量最省对应的最优参考长半轴,以及所施加的最优速度脉冲. 数值仿真验证了本文方法的正确性,并对仿真结果进行了解释和分析.      

航天器天线桁架结构多目标优化设计

针对有附加结构的卫星天线桁架结构,提出了一种实现结构多目标优化的综合设计方法.首先,探讨了附加结构刚度对桁架结构动力学特性的影响,以便建立精确的有限元模型,为进行优化设计奠定基础.之后,交替采用代理模型方法和人机交互方式进行结构拓扑构型设计.其中代理模型是采用优化拉丁超立方法进行试验设计,结合径向基函数近似方法生成的.最后,应用NSGA-Ⅱ全局优化方法实现以重量最小化和频率最大化的多目标优化设计,并根据分层图定量可视化地从Pareto前端和Pareto最优解集中筛选最优设计方案.优化结果表明,相对于初始方案可以在基频几乎不变的情况下,重量减小29.66%.该方法有利于提高设计效率,降低全局优化的复杂度,同时能够得到满足设计要求的设计方案,适用于多目标结构优化设计.     

载人登月轨道研究综述

21世纪初叶,美国星座计划、欧洲曙光计划以及中国嫦娥工程计划的相继提出,彻底拉开了人类重返外太空的序幕,载人登月也被赋予了全新的涵义和使命.探测内容的多样化,轨道设计的复杂精细化,宇航员安全保障的突出化,进一步加大了载人登月工程任务设计的复杂度与难度.文中分别从载人登月轨道整体、地月转移轨道、空间交会对接以及全月面到达这4个方向介绍载人登月当前研究进展与现状,并列举了各研究领域的相关热点问题.基于对上述研究现状的分析,尝试展望了该研究领域未来的发展趋势.     

多体系统轨迹跟踪的瞬时最优控制保辛方法

随着近年来机器人在各行业领域的广泛应用,对机器人的动力学与控制性能不断提出新的要求,特别是对设计越来越复杂、操作越来越灵巧的智能机器人,要求其能够对目标轨迹实现高精度跟踪以满足实际工作需求. 因此,针对机器人多体系统对目标轨迹跟踪的任务需求,基于微分代数方程提出瞬时最优控制保辛方法. 首先,采用多体动力学绝对坐标建模方法建立机器人系统的普适动力学方程,即微分代数方程;然后,采用保辛方法将连续时间域内的微分代数方程进行离散化,进而得到以当前位置、速度和拉式乘子为未知量的非线性代数方程组;其次,通过引入对目标轨迹跟踪以及对控制加权的瞬时最优性能指标,根据瞬时最优控制理论获得当前最优控制输入;最后,通过离散时间步的更新完成对目标轨迹的跟踪任务. 为了验证本文方法的有效性,以双摆轨迹跟踪控制为例进行了数值仿真,结果表明:针对机器人轨迹跟踪任务所提出的瞬时最优控制保辛方法能够实现对目标轨迹的高精度跟踪,且瞬时最优控制由受控微分代数方程推导获得,更具一般性,能够适应其他复杂多体系统的轨迹跟踪控制问题.      

AN ALGORITHM FOR SOLVING SPACECRAFT REACHABLE DOMAIN WITH SINGLE-IMPULSE MANEUVERING 1)

航天器轨道机动可达域是表征其在未来时间可能到达空间位置集合的有效方式,对维护航天器在轨安全、改善空间态势感知能力具有重要意义.现有关于可达域计算的方法仍然存在模型复杂、初值敏感性高导致计算效果较差等缺点,因此有必要发展更加简洁有效的可达域包络求解算法.本文基于近心点坐标系建立了基于未来可达位置矢量极值求解的可达域求解模型,首先定义任意指向的矢量描述方法并给出未来该指向位置是否可达的判据;其次,设置转移轨道面内机动方位角,将可达域求解问题转化为当前可达位置矢量方向的单变量极值求解问题,利用极值点处可达域包络面函数梯度需为零的条件确定转移轨道面机动方位角的取值,从而确定航天器的轨道机动可达域;此外根据二体轨道动力学特性,利用包络的对称性减少可达域求解计算量;最后通过蒙特卡洛打靶仿真对提出的可达域求解方法进行仿真验证.结果表明,本文方法对航天器单脉冲轨道机动可达域的计算结果与蒙特卡洛打靶仿真吻合良好,模型更加简洁且计算精度优于现有方法.     

搭接剪切试件的优化设计

在采用搭接剪切试件进行的剪切强度实验中,试件失效往往是由于试件两端的剥离应力过大,而不是切应力造成的,这往往造成错误的实验结果. 通过有限元和光弹实验相结合的方法研究在搭接结构中引入凹槽以使试件所受的切应力均匀分布并减少两端的剥离应力,从而提高实验精度的可行性. 研究表明,只要凹槽的形状和位置合适,完全可以达到上述效果,从而实现了搭接剪切试件的优化设计.     

地固系下航天器单脉冲轨道机动可达域求解算法

航天器轨道机动可达域是空间态势的有效表征方法,对空间目标机动监测、威胁评估和碰撞预警等有重要意义。特别地,地固系下的轨道机动可达域对分析机动卫星星下点轨迹变化、静止轨道机动卫星可达区域等作用显著。现有关于可达域的研究多针对惯性系下绝对可达域的求解,地固系下可达域的求解方法目前尚无研究。由于存在坐标系旋转引起的时间变量耦合,地固系下可达域的求解不如地心惯性系下容易。针对该问题,本文提出了一种基于可达性约束和时间约束的可达域计算方法。首先,在地惯系下通过两点边值问题的边界速度双曲线建立近心点坐标系下任意方位是否可达的可达性判据;其次,通过地固系和地惯系之间的转换关系建立地固系下任意方位可达的时间约束方程,从而建立地固系下轨道机动可达域的求解模型,将可达域包络求解问题转为可达方向矢径极值求解问题;再次,根据转移轨道面内航天器真近点角变化量推导可达方向上矢径大小方程,通过计算极值点确定地固系下航天器轨道机动可达域。通过蒙特卡洛仿真验证表明,本文所提出的地固系下航天器单脉冲轨道机动可达域求解方法正确有效。

     

OPTIMAL MOTION PLANNING FOR A RIGID SPACECRAFT WITH TWO MOMENTUM WHEELS USING QUASI-NEWTON METHOD

An optimal motion planning scheme based on the quasi-Newton method is proposedfor a rigid spacecraft with two momentum wheels. A cost functional is introduced to incorporatethe control energy, the final state errors and the constraints on states. The motion planning fordetermining control inputs to minimize the cost functional is formulated as a nonlinear optimalcontrol problem. Using the control parametrization, one can transform the infinite dimensionaloptimal control problem to a finite dimensional one that is solved via the quasi-Newton methodsfor a feasible trajectory which satisfies the nonholonomic constraint. The optimal motion planningscheme was applied to a rigid spacecraft with two momentum wheels. The simulation results showthe effectiveness of the proposed optimal motion planning scheme.     

功能材料双轴拉伸十字板试件的优化设计

在对Demmerle和Boehler提出的一个基于试件实验区应力标准差的数学判据进行修正的基础上,将这一判据应用于有限元方法中,通过 ABAQUS有限元软件计算出试件实验区的应力分布,结合Powell优化设计方法,实现了对各向同性形状记忆合金材料双轴拉伸十字板试件的最优化设计.优化设计所得试件的应力位移分布图与原有的Kelly试件迸行了比较,结果表明经过优化的试件在满足双轴试验要求方面有了明显的改进.同时验证了在各向同性材料下优化所得的试件同样适用于各向异性材料.最后,对形状记忆合金相变过程在试验区中引起的应力应变变化进行了数值模拟,其结果表明优化试件完全能够满足记忆合金材料双轴实验的要求.