基于Gauss伪谱法的欠驱动航天器姿态优化控制

现代航天器一般可以通过三正交反作用动量飞轮对其进行姿态机动控制并任意定位.研究了当其中某一个动量飞轮失效而不能输出完整三轴控制力矩时的欠驱动航天器姿态优化控制问题.在系统动量矩等于零时,其姿态控制问题可以转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.采用Gauss伪谱法(GPM)将带有两个反作用动量飞轮的航天器姿态非完整运动规划问题转换为非线性规划问题(NLP),再通过SQP(sequential quadratic programming)算法求解.通过数值仿真、优化控制能达到设计的零边界控制要求,方便伺服电机对动量飞轮的控制;规划得到的姿态曲线与数值积分得到的曲线几乎完全重叠;权衡最终的优化目标值、运行时间和精度三因素找到合适的插值配点个数;结果表明了该方法对欠驱动航天器的姿态优化控制是有效的.     

基于小波分析的空间机械臂运动规划的最优控制

讨论了空间机械臂系统非完整运动规划的最优控制问题.利用小波分析方法,将离散正交小波函数引入最优控制,由小波级数展开式逼近替代传统的Fourier基函数,提出基于小波分析的最优控制数值算法.仿真结果表明,该方法对求解空间机械臂非完整运动规划问题是有效的.     

自由漂浮空间非合作目标的运动预测

空间非合作目标的运动预测是航天器在轨服务中的一个重要问题。在获得非合作目标的运动预测结果后,追踪星即可规划运动轨迹以接近目标并对其进行捕获。该文提出了一种自由漂浮空间非合作目标的运动预测方法。该方法的核心思想是首先辨识出目标的姿态动力学参数和目标的质心运动学参数,然后利用参数辨识结果和目标的动力学方程实现对目标的运动预测。在姿态动力学参数的辨识过程中,首先对目标的惯性参数进行初步辨识,然后采用自适应无迹Kalman滤波器对姿态动力学参数进行粗略辨识,最后通过最优化方法进一步提高姿态动力学参数的辨识精度。该文通过数值仿真验证了所提运动预测方法的有效性。仿真结果表明,无论目标是做单轴旋转还是翻滚运动,所提运动预测方法都能够实现对目标的长时间高精度的运动预测。     

变质量非线性非完整系统相对于非惯性系的平衡状态的稳定性

首先，将变质量非线性非完整系统相对于非惯性系的运动问题当作一个有条件的完整系统问题来处理．其次，当系统存在平衡状态时，用一次近似方程来研究其相应完整系统平衡态的稳定性问题，如果一次近似方程是常系数的，其特征方程不可避免地会出现零根，零根的数目等于非完整约束方程的数目与完整系统平衡状态流形的维数之和，将这些零根简单地去掉，就可根据其它根是否有负实部来判断稳定性．最后，举例说明此方法的应用．     

双臂空间机器人姿态、关节协调运动基于RBF神经网络的自适应控制算法

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,双臂空间机器人姿态、关节协调运动的控制问题．由Lagrange第二类方法及系统动量守恒关系,建立了漂浮基双臂空间机器人的系统动力学方程．以此为基础,借助于RBF神经网络技术、GL矩阵及其乘积算子定义,对双臂空间机器人系统进行了神经网络系统建模;之后针对双臂空间机器人所有惯性参数均未知的情况,设计了双臂空间机器人载体姿态与机械臂各关节协调运动基于RBF神经网络的自适应控制算法．提出的控制算法不要求系统动力学方程具有惯常的关于惯性参数的线性性质,且无需预知系统惯性参数的任何信息,也无需对神经网络进行离线训练、学习,因此更适于实时应用．一个平面漂浮基双臂空间机器人系统的数值仿真,证实了该控制算法的有效性．     

具有外部扰动的空间刚性机械臂姿态与末端爪手协调运动的Terminal滑模控制算法设计

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间刚性机械臂,载体姿态与末端爪手协调运动的控制算法设计问题．结合系统动量守恒关系及Lagrange方法,建立了漂浮基空间刚性机械臂完全能控形式的系统动力学方程及运动Jacobi关系,并将其转化为状态空间形式的系统控制方程．以此为基础,根据Terminal滑模控制技术,给出了系统相关Terminal滑模面的数学表达式,在此基础上提出了具有外部扰动情况下漂浮基空间刚性机械臂载体姿态与末端爪手协调运动的Terminal滑模控制方案．提出的控制方案不但确保了闭环系统滑模阶段的存在性,同时通过Terminal滑模函数的适当选取,还保证了输出误差在有限时间内的收敛性．此外,由于确保了无论何种情况下系统初始状态均在Terminal滑模面上,从而消除了其它滑模控制方法常有的到达阶段,使得闭环系统具有全局鲁棒性和稳定性．平面两杆空间刚性机械臂的系统数值仿真,证实了方法的有效性．     

飞艇姿态跟踪系统的研究

研究了具有参数不确定和外部干扰的飞艇姿态跟踪控制问题．飞艇姿态运动的数学模型为一个多输入/多输出不确定非线性系统,根据该系统的特点,采用了一个基于不确定项上界的鲁棒输出跟踪控制器设计方法,应用输入/输出反馈线性化法和李雅普诺夫方法,设计了飞艇姿态鲁棒控制律,它可确保系统输出按指数规律跟踪期望输出．该控制器设计简单,易于实现．仿真结果表明:即使系统存在不确定性和外界干扰,仍可在闭环系统中实现精确的姿态控制．     

变质量非完整系统打击运动的Kane方程

本文建立变质量非完整系统Routh形式的Kane方程,并由此导出变质量完整系统和非完整系统打击运动的Kane方程,其次指出Lagrange形式的打击运动方程与Kane方程的等价性。最后举例说明新方程的应用。     

基于Udwadia-Kalaba方法的并联机器人鲁棒伺服约束控制

针对2自由度冗余驱动并联机器人轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于Udwadia Kalaba方程的鲁棒伺服控制方法.在负载、外部干扰以及制造误差的影响下,无法得到机器人精确、完整的运动模型,导致机器人控制性能变差.为解决这类不确定性带来的影响,提出了一种鲁棒控制方法.该方法通过保证系统的一致有界性和一致最终有界性,使系统能够精确跟踪理想约束轨迹.此外,该方法采用Udwadia Kalaba方程,求解控制过程中满足系统理想约束所需要的约束力.Udwadia Kalaba方程不需要Lagrange乘子或伪广义速度等辅助变量,可以同时处理完整约束和非完整约束,且可以获得满足轨迹约束的约束力解析解.利用Lyapunov函数对该鲁棒控制方法的稳定性进行了理论证明,并且通过仿真实验,验证了该鲁棒控制方法能够在非理想条件下实现给定轨迹的高精度跟踪控制.     

带一类第一积分的非完整系统的Szebehely问题

研究非完整系统动力学的一类逆问题·给出非完整系统的运动方程及其显式，考虑一类仅受齐次非完整约束的力学系统的Ｓｚｅｂｅｈｅｌｙ问题，研究已知一类第一积分的一般非完整系统的情形·最后举例说明其应用·     

Regular and chaotic motions of a Chaplygin sleigh under periodic pulsed torque impacts

For a Chaplygin sleigh on a plane, which is a paradigmatic system of nonholonomic mechanics, we consider dynamics driven by periodic pulses of supplied torque depending on the instant spatial orientation of the sleigh. Additionally, we assume that a weak viscous force and moment affect the sleigh in time intervals between the pulses to provide sustained modes of the motion associated with attractors in the reduced three-dimensional phase space (velocity, angular velocity, rotation angle). The developed discrete version of the problem of the Chaplygin sleigh is an analog of the classical Chirikov map appropriate for the nonholonomic situation. We demonstrate numerically, discuss and classify dynamical regimes depending on the parameters, including regular motions and diffusive-like random walks associated, respectively, with regular and chaotic attractors in the reduced momentum dynamical equations.     

Equations of motion of rotating bodies in general relativity in the post-Newtonian approximation

Equations of the translational and rotational motion of two bodies possessing intrinsic angular momentum are obtained by the Einstein—Infeld—Hoffmann method in the post-Newtonian approximation. The results agree with the Kerr metric expressed in a harmonic system of coordinates with symmetry of the spatial components of the metric with respect to its indices and with a conservation law for the total angular momentum that is the sum of the orbital and spin angular momenta, and they give the correct passage to the limit to the equation of motion of a test particle with spin.All-Russia Institute of Experimental Physics. Translated from Teoreticheskaya i Matematicheskaya Fizika, Vol. 101, No. 1, pp. 123–135, October, 1994.     

On the motion of a rigid body immersed in a bidimensional incompressible perfect fluid

We consider the motion of a rigid body immersed in a bidimensional incompressible perfect fluid. The motion of the fluid is governed by the Euler equations and the conservation laws of linear and angular momentum rule the dynamics of the rigid body. We prove the existence and uniqueness of a global classical solution for this fluid–structure interaction problem. The proof relies mainly on weighted estimates for the vorticity associated with the strong solution of a fluid–structure interaction problem obtained by incorporating some viscosity.     

Energy and momentum conserving methods of arbitrary order for the numerical integration of equations of motion

Summary In Part I of this work, numerical methods were derived for the solution of the equations of motion of a single particle subject to a central force which conserved exactly the energy and momenta. In the present work, the methodology of Part I is extended, in part, to motion of a system of particles in that the energy and linear momentum are conserved exactly. In addition, the angular momentum will be conserved to one more order of accuracy than in conventional methods. Exact conservation of the total angular momentum results only for the lowest order numerical approximation, which is equivalent to the discrete mechanics presented elsewhere.     

The discrete energy-momentum method. Conserving algorithms for nonlinear elastodynamics

In the absence of external loads or in the presence of symmetries (i.e., translational and rotational invariance) the nonlinear dynamics of continuum systems preserves the total linear and the total angular momentum. Furthermore, under assumption met by all classical models, the internal dissipation in the system is non-negative. The goal of this work is the systematic design of conserving algorithms that preserve exactly the conservation laws of momentum and inherit the property of positive dissipation forany step-size. In particular, within the specific context of elastodynamics, a second order accurate algorithm is presented that exhibits exact conservation of both total (linear and angular) momentum and total energy. This scheme is shown to be amenable to a completely straightforward (Galerkin) finite element implementation and ideally suited for long-term/large-scale simulations. The excellent performance of the method relative to conventional time-integrators is conclusively demonstrated in numerical simulations exhibiting large strains coupled with a large overall rigid motion.Dedicated to K. Kirchgässner on the occasion of his 60th birthdayInvited Lecture, Presented at Oberwolfach January 1992.Supported by AFOSR under Grant No. 2-DJA-826 with Stanford University.     

重建极性连续统理论的基本定律和原理(Ⅶ)——增率型

目的是建立微极连续统增率型的较为完整的运动方程,边界条件和能率方程.为此,先给出较为完整的变形梯度及其逆的定义.接着推导出各种应力率和偶应力率间的新关系式.最后,作为一种特殊情形得到连续统力学的耦合的增率型运动方程、边界条件和能率方程.     

重建极性连续统理论的基本定律和原理(Ⅵ)——质量和惯性守恒定律

重建极性连续统理论的耦合型质量和惯性的守恒定律和局部守恒方程以及跳变条件.为此推导出新的变形梯度、线元、面元和体元的物质导数,并给出广义Reynolds输运定理.把这些结果和作者以前推导出的耦合型动量、动量矩和能量的基本定律和有关原理结合在一起就大体上构成极性连续统理论相当完整的耦合型基本定律、局部守恒和均衡方程及原理体系.从此体系可以根据常用的局部化方法给出耦合型的非局部质量和惯性守恒方程以及动量、动量矩和能量均衡方程.