自主航天器的规划系统建模研究

根据自主航天器的特点,分析了其规划问题中活动的并行特性以及约束的复杂性,提出了自主航天器规划系统的系统结构,并对规划模型的模型要素进行分析,然后采用规划域定义语言对规划域进行建模,以时间区间理论为基础对规划问题的持续时间约束进行表示,采用时间线模型表现航天器的并行活动,最终解决了自主航天器规划系统的建模与约束表达问题。最后通过一个算例验证了所提方法的正确性。     

基于PDDL的对地观测卫星任务规划建模研究

传统的数学模型方法是解决复杂卫星任务规划问题的一种途径,但其抽象性给建模人员带来很大难度。PDDL(Planning Domain Definition Language)可以针对卫星任务规划问题建立清晰有效的模型,并能把模型的知识转化成计算机易于接受的形式。用PDDL描述对地观测卫星的任务规划问题,分析了卫星执行任务时涉及的约束、相关活动和所需的资源,建立任务规划模型的域文件(domain file)和问题(problem file)文件,并针对所建模型提出求解模型的算法流程,最后通过一个算例验证模型和算法是有效地。     

基于层级任务网络的卫星自主规划模型与算法

针对面向任务的卫星操作计划自动生成(即卫星的自主规划)问题，采用层级任务网络规划的任务分解思想，在分析卫星系统结构的基础上，建立了光学成像侦察卫星的规划模型，定义了2种常规任务的任务分解方法。根据模型的特点，开发了一个基于任务分解方法的导引式求解算法。通过一个实例进行了验证，结果表明模型和算法能有效解决卫星的自主规划问题。     

星地一体成像侦察任务规划组合求解方法

成像侦察任务流的航天资源任务规划问题是将有限的航天资源分配给需要侦察的不同目标,最大化满足任务需求.采取了星地一体任务规划思路进行问题建模与求解.提出星地一体虚拟资源聚合模型和算法,并在此基础上,给出了星地一体的虚拟资源冲突检测与消解方法,提出了星地一体任务规划模型的模型分解与组合求解方法,针对分解后的主问题模型给出了一种适应可变冲突约束的遗传算法;针对子问题模型给出了一种基于时间序列排序的任务调度方法,并对上述两种算法进行了设计与实现;最后,结合试验案例进行验证.     

AUV巡航路径规划建模及仿真研究

针对自主水下航行器在复杂、未知海洋环境中的路径规划难题,提出改进蚁群算法,建立具有31个巡航点的AUV(Autonomous Underwater Vehicle)路径规划模型。结合算法特点,对该模型进行仿真实验,通过实例分析了算法中相关参数对获取最优解的影响,得到了AUV巡航的最佳路径图。     

最小化全局完成时间的成像卫星任务规划算法

成像侦察卫星任务规划问题是一类典型多约束组合优化问题.最小化全局完成时间是任务规划领域时效性要求较高情况下的一种优化目标.提出一种整合整数规划与约束规划方法,在最小化任务规划方案全局完成时间的目标下,求解成像侦察卫星任务规划问题的组合算法.该算法通过应用Benders分解将原约束整数规划模型划分为主问题与子问题两部分,采用软件MOSEK与GECODE对主、子问题分别求解.根据子问题求解结果生成剪枝约束,返回主问题迭代,直到获得优化解.算法有效性通过仿真实验进行了检验并取得预期效果.     

面向自主运行的深空探测航天器体系结构设计 及自主任务规划方法

传统的航天器运行管控方式严重依赖地面指控、人力成本耗费大且对任务响应时间长,难以满足深空探测远距离通信时延突出的任务特点,航天器的智能化水平亟待进一步提高.本文通过对航天器自主运行问题进行系统地分析,提出一种基于多智能体的航天器自主运行的体系结构,面向自主系统结构、运行流程等进行了设计.重点针对小行星探测任务,提出了一种包含平台和载荷任务管理的两阶段航天器自主任务规划算法设计方案,能够实现平载一体的航天器自主任务管理,根据高级任务目标输出完整的指令序列.并通过自主任务规划仿真,对相关算法和模型的正确性和可行性进行了可视化验证和分析,为航天器自主运行技术研究提供了一种有益的思路和方法.     

空间飞行器有效载荷规划与调度软件平台

单一的算法已经无法解决大型复杂空间飞行器的有效载荷规划与调度问题,建立具有通用性和灵活性且适用于该问题的软件平台.分析国内外现有研究方法,算法比较和智能规划思想.总结有效载荷规划与调度问题共性,抽象为活动和约束,进一步使用CSOP模型对其进行数学描述.利用智能规划思想建立了有效载荷规划与调度软件平台总体架构,详述各组成结构、功能以及实现方法,描述了高级目标如何转换为具体的约束和活动的流程,并分析了其核心智能规划的一般方法.初步的仿真结果表明,该平台设计方案基本满足设计要求.     

基于GA的电子侦察卫星任务规划问题研究

电子侦察卫星是现代战争中获取电子情报的重要手段,在快速作战决策方面具有独特的作用.电子侦察卫星任务规划问题是一类重要的任务规划问题,涉及各种复杂的约束条件.首先通过对电子侦察卫星工作原理的分析提出了基本假设和预处理的基本方法,并建立了CSP模型,然后采用遗传算法(GA)对模型进行求解.算法针对电子侦察卫星任务规划的特点设计了符号型编码以及相应的OBC交叉算子及多点交换变异算子.最后采用所设计的遗传算法和简单贪婪算法分别对不同规模的问题进行了求解,实验结果表明算法有效地解决了针对固定目标的电子卫星侦察任务规划问题.     

航天器GN&C系统功能行为建模与仿真平台研究

在航天器近距离相对运动任务规划的研究中,为了实现验证对航天器制导、导航与控制(GN&C)系统的功能行为建模方法与仿真平台进行了研究.在分析了航天器GN&C系统的功能结构以及各子系统之间的状态约束,建立其功能行为模型的基础上,根据MVC(Model-View-Controller)设计模式搭建平台框架,综合利用Java/MATLAB/VC++,集成系统模型算法,驱动任务指令生成与调度,设计跨平台数据传输机制,完成仿真平台开发.系统仿真平台灵活开放,支持任务设计、规划功能,可实现飞行方案的仿真推演.     

基于变邻域蚁群算法的自动光学检测路径规划

在确定取像窗口最少数量及其约束移动范围的前提下,为解决蚁群算法用于自动光学检测路径规划存在的问题,提出一种基于变邻域蚁群算法的自动光学检测路径规划方法。针对蚁群算法收敛速度慢、易陷入局部最优解的问题,提出含有3种邻域结构的变邻域路径搜索方法,改进蚁群算法以快速获得质量优异的可优化路径;针对取像窗口位置可调整的问题,提出变邻域窗口位置调整方法,进一步改善可优化路径,获得最短路径。实验结果表明,该算法比基本的蚁群算法具有更高的求解效率和求解质量,有效提升了自动光学检测系统的在线检测效率。     

带有两个动量飞轮刚体航天器的姿态非完整运动规划问题

航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位.当其中一个动量飞轮失效,在某些特定的情况下,如何控制航天器的姿态问题还没有有效的方法.利用最优控制方法研究了带有两个动量飞轮的刚体航天器姿态优化控制问题.为此考虑系统角动量为零的情况下,将航天器姿态运动方程化为非完整形式约束方程,系统的控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.通过Ritz近似理论得到求解带有两个动量飞轮航天器姿态的运动规划控制算法.通过数值仿真,表明该方法对航天器姿态运动规划控制是有效的.     

An impulse control approach to spacecraft autonomous rendezvous based on genetic algorithms

This paper proposes a novel approach to spacecraft impulse autonomous rendezvous by using genetic algorithms. Based on the Clohessy-Wiltshire (C-W) equations, the whole rendezvous process is described as a switching system composed of closed-loop system and open-loop system, which correspond to the impulse action phase and free motion phase during the rendezvous process. Based on Lyapunov theory, the autonomous rendezvous problem is regarded as an asymptotic stabilization problem. By introducing two virtual energy functions, the stability of the switching system is analyzed, and the duration of the impulse action and the thrust limitation are considered synthetically. Then, a state-feedback controller design method is proposed, and an approach based on linear matrix inequality and genetic algorithm (GA) is proposed to solve the controller design problem and the calculation steps are presented. With the designed controller, the impulse thrust which satisfies the given thrust constraint is determined according to the real-time relative state between two spacecraft at the impulse instant, and the impulse duration is kept as short as possible. The effectiveness of the proposed approach is illustrated by simulation examples.     

基于路径跟踪的拖车式移动机器人动态窗口法

针对目前局部路径规划算法只适用于单车体机器人的问题,提出了一种针对拖车式移动机器人的动态窗口法。首先,利用多车体结构的路径跟踪方程实现对拖车式移动机器人的运动控制;然后,利用评价函数同时对牵引车和拖车进行评价并根据权重相加;最后,针对拖车结构特性,添加了运动过程中牵引车与拖车的夹角约束,保证运动轨迹的稳定性。仿真实验表明:拖车式移动机器人的运动控制可满足收敛性,同时所提算法实现了拖车式移动机器人局部路径规划的任务,且在运动过程中夹角变化均未超出限制。该研究对拖车式移动机器人的自主导航有极大的参考价值。     

基于矢量场的无人机动力学规划算法

针对传统运动规划的分层策略导致生成的轨迹被限制在同伦类和快速搜索随机树算法的采样效率较低等问题,提出一种基于矢量场指导采样的动力学规划算法。首先,采用势场函数的梯度定义的矢量场来构造圆锥体,并利用该圆锥体约束RRT*的采样;然后,通过求解最优控制问题生成运动基元来解决两点边值问题,并给出运动基元的最佳持续时间的显式解,以便最佳地连接任意一对状态;最后,通过MATLAB仿真环境下的四旋翼飞行器验证所提出的运动规划算法的可行性。实验结果表明,提出的算法与现有的技术相比在相同的迭代次数下以更短的运行时间探索了更多的状态,并且生成的轨迹具有更小的到达时间和控制花销。     

自治水下机器人的自主启发式生物启发神经网络路径规划算法

针对复杂海流环境下自治水下机器人(autonomous underwater vehicle, AUV)的路径规划问题,本文在栅格地图的基础上给出了一种基于离散的生物启发神经网络(Glasius bio-inspired neural networks, GBNN)模型的新型自主启发式路径规划和安全避障算法,并考虑海流对路径规划的影响.首先建立GBNN模型,利用此模型表示AUV的工作环境,神经网络中的每一个神经元与栅格地图中的位置单元一一对应;其次,根据神经网络中神经元的活性输出值分布情况并结合方向信度算法实现自主规划AUV的运动路径;最后根据矢量合成算法确定AUV实际的航行方向.障碍物环境和海流环境下仿真实验结果表明了生物启发模型在AUV水下环境中路径规划的有效性.     

海流环境下多AUV多目标生物启发任务分配与路径规划算法

针对多障碍物海流环境下多自治水下机器人(AUV)目标任务分配与路径规划问题, 本文在栅格地图构建的 基础上给出了一种基于生物启发神经网络(BINN)模型的新型自主任务分配与路径规划算法, 并考虑海流对路径规 划的影响. 首先建立BINN模型, 利用此模型表示AUV的工作环境, 神经网络中的每一个神经元与栅格地图中的位 置单元一一对应; 接着, 比较每个目标物在BINN地图中所有AUV的活性值, 并选取活性值最大的AUV作为它的获 胜AUV, 实现多AUV任务分配; 最后, 考虑常值海流影响, 根据矢量合成算法确定AUV实际的航行方向, 实现AUV路 径规划与安全避障. 海流环境下仿真实验结果表明了生物启发模型在多AUV水下任务分配与路径规划中的有效性.     

一种改进的未知动态环境下机器人混合路径规划方法

动态未知环境下的机器人路径规划是机器人导航领域的重要课题之一,采用传统的方法求解并不理想。针对这个问题,提出一种改进的机器人混合路径规划方法。首先利用改进的文化基因算法规划出较优的全局路径,指引机器人沿着全局路径行走,然后根据传感器探测到的局部环境信息,利用Morphin算法进行局部路径实时规划,使机器人有效地躲避动态障碍物。仿真实验表明,该算法在未知动态路径规划中具有良好的效果。     

改进人工势场法的洗浴机器人擦洗路径规划

针对洗浴机器人末端执行器与人体直接接触擦洗的自主导航问题进行了研究,提出一种基于人体点云的改进人工势场法三维覆盖路径规划算法。首先,在传统人工势场法基础上增设障碍物引力势场,使机器人能够贴近障碍物表面向目标点移动,并且通过添加虚拟目标点的方法克服了凹陷区域产生的局部极小值问题。然后,将人体点云切段分割后投影至平面,结合改进的人工势场法完成对人体表面的覆盖路径规划。以人体模型点云为对象进行仿真实验及对比,结果表明提出算法可以快速有效地完成基于人体点云的三维覆盖擦洗路径规划。