空间绳系机器人抓捕目标过程协同稳定控制

针对空间绳系机器人抓捕无控目标过程中的自身稳定控制问题,提出一种操作机械臂主动阻尼控制与利用空间系绳、反作用轮进行基体姿态稳定控制相结合的协同稳定控制方法.文中首先建立了空间绳系机器人抓捕目标的动力学模型及与目标的接触碰撞模型,分析了抓捕过程中空间绳系机器人及目标的运动状态,在此基础上设计了操作机械臂关节主动阻尼控制律以减小碰撞力对操作机械臂末端的冲击,结合基体姿态的变化设计了滑模姿态稳定控制律,通过空间系绳和反作用轮提供基体所需的滑模姿态控制力矩.在抓捕目标仿真过程中对关节主动阻尼控制方法和所提出的协同稳定控制方法进行比较分析,结果表明,本文提出的抓捕目标协同稳定控制方法能很好地稳定操作机械臂和基体,且空间系绳对基体及目标的扰动影响很小,达到了空间绳系机器人抓捕目标时自身稳定的要求.     

空间绳系飞网运动建模与仿真

研究在轨捕获技术的问题中,空间绳系飞网作为一种柔性捕获手段在航天工程中具有广泛的应用前景,进行仿真成为必不可少的研究手段.首先建立了系绳的简化模型,讨论其短距离捕获阶段的释放方式.在此基础上,运用弹簧-质点模型对飞网进行建模,分析了飞网飞行过程中的受力情况,并采用Verlet数值积分方法对模型进行仿真计算,最后对飞网捕获目标进行了碰撞检测.仿真结果正确显示了捕获阶段飞网的运动过程,实时性良好,对空间飞网的设计研究具有一定的意义.     

基于非线性单元模型的绳系卫星系统动力学

建立连续绳系卫星系统的离散的可变自由度有限维动力学模型,描述其长时间空间大范围运动.绳系卫星系统为复杂的非线性动力学系统.考虑了系绳的黏弹性、分布质量和空间位形,使得建立的改进珠式模型能够细致地描述系绳的纵横向振动.根据绳索只能受拉而不能抗压的特性引入了系绳单元的松弛模型,准确反映系绳真实受力情况.研究了系统自由度改变...     

平流层卫星系绳的建模与仿真

研究平流层卫星系绳轨迹建模分析可靠性问题,根据平流层卫星所用系绳的特性,要求高强度和足够的侧向控制力.为此提出了“质量集中-轻质钢杆”模型,并给出模型的求解过程.模型考虑了系绳自身质量及所受气动力,通过迭代计算,可求出系绳形状及系绳张力的变化.在给定轨迹控制器的高度及平衡轨迹控制器所需的拉力大小和方向后,计算出系绳传递到气球的拉力大小及方向,绘制出了系绳的形状.仿真结果表明,“质量集中-轻质钢杆”模型能够符合系绳在风场和自身重力作用下的传递的拉力和自身动态特性,为平流层卫星系绳系统优化设计提供了参考.     

基于刚体卫星绳系编队系统的动力学建模及姿态控制

多体绳系卫星编队系统具有观测范围广、可操作性强、稳定性强等优点,可实现深空探究、大气探测、空间碎片清理等空间作业.三体绳系卫星编队系统是三颗卫星首尾一次通过系绳相连接,形成三角形形状的编队系统,可通过自旋保持空间相对位置稳定.现有的对于三体绳系编队系统的理论研究中,大都将卫星视为质点,简化动力学模型,但与实际情况出入较大.为更符合实际情况,考虑卫星的刚体姿态的影响,采用Newton-Euler法进行三体绳系编队系统的耦合动力学模型的建立.以四元数法为基础,避免出现使方程不可求解的奇异值,忽略空间环境影响及系绳质量,建立考虑系绳张力影响下的动力学模型.基于已有的动力学模型,通过改变系绳连接处位置,进行不同初始条件下动力学仿真分析,得到其动力学响应.当系统内系绳连接处位置不过卫星刚体质心时,系绳拉力产生的扭矩会造成卫星姿态的不稳定,会对系统正常工作造成影响.因此通过主动控制方法,例如变结构控制方法以及基于单神经元的自适应PID控制方法等方法对卫星姿态进行控制,通过仿真验证了控制律的有效性.     

系留气球平台动力学仿真研究

研究系留气球平台设计问题,随着人类探索太空技术的不断进步,空间任务也变的越来越复杂.以空间绳网为柔性部件是最近发展起来的空间概念,在空间任务中发挥越来越大的作用,而柔性部件研究是当今世界学术研究的重点技术,需要通过大量的试验分析绳网的性能.根据绳网地面试验的需要,建立了系留绳气球平台动力学模型,分析了不同构建方式下的系留气球平台的稳定性,同时分析地面环境下风力干扰作用对系留气球平台稳定性的影响,提出了构建稳定系留气球平台的方法,并将仿真结果与地面试验结果进行对比,结果一致.     

基于隐式积分的树叶形变快速仿真

针对秋天树叶形变过程的仿真问题,在双层质点-弹簧模型的基础上,提出一种半过程半物理的树叶形变快速仿真算法.由于同时调节叶肉和叶脉弹簧系数会使得树叶形变不易控制,因此对叶脉和叶肉分开进行模拟:为叶脉设计一种目标形态,叶脉形变序列的中间形态可以通过对初态和终态的插值得到,叶肉会在叶脉形变引发的弹簧力的牵引下发生相应的形变,质点-弹簧系统会在阻尼的作用下趋于稳定,上述过程是一个不断循环迭代的过程;针对显式积分求解器求解时间过长和不稳定的缺点,采用大时间步长的隐式积分求解器以显著地提高系统的稳定性和求解效率.算法分析和实验结果表明,该算法可以稳定、快速、逼真地模拟秋天树叶老化过程中几何形态的变化过程.     

虚拟三维树叶变形的可视化研究

植物器官的真实感模拟和可视化表达,对于虚拟植物的研究和应用具有重要作用,针对植物的真实生长过程,为了仿真树叶在枯萎、老化过程中几何形态的变化,引入一种质点--弹簧模型的三维变形方法.对质点--弹簧模型的树叶网格模型的建立,确定了模型的关键因素:质点和弹簧;对模型中的质点确定,根据树叶在形态变化过程中受到的诸多外力因素和树叶本身的物理属性,进行了受力分析,建立了三维变形模型的微分方程,并进行仿真,并以点的位置变化来表现树叶形态的变化.实验结果与观察结果相近,说明质点--弹簧模型用于树叶的几何形态仿真具有可行性和有效性.     

基于改进的弹簧-质点模型的三维服装模拟

针对三维服装造型与效果仿真中存在的模型复杂、模拟效率低、忽略服装的结构特征等问题,提出了改进的弹簧-质点模型.利用该模型统一建立了2D→3D映射和服装真实感模拟方程,给出方程中质点所受内力和外力的组成与表达式以及动态系统的推导和求解过程,并且描述了模拟的具体实现算法.改进的弹簧-质点模型克服了原有模型对服装织物的材料性能表达单一的缺点,考虑了拉伸、剪切、弯曲等力学性能以及省/褶等结构因素对服装外观的影响,实现了较复杂的服装外型.通过从效率与效果两个方面与其他模拟系统进行比较,发现该技术的模拟效率较高而且模拟结果较为真实.该模拟技术已经在服装企业推广应用,用户反映良好.     

绳系卫星编队动力学及控制研究进展

对空间绳系卫星编队构形进行了分类,阐述了编队构形的稳定性特征.对系统自旋运动、系绳振动及L2平动点附近周期运动进行分析,指出系统展开/回收过程、卫星刚体姿态的动力学行为及控制方法.最后,对绳系卫星编队系统的研究及发展进行概括和总结.     

Development of a simulation framework and applications to new production processes in shipyards

Recently, a floating crane is frequently used for the block lifting, transportation, turn-over, and assembly processes in waves. For these production processes, it is important to detect collision in advance between assembly blocks or the block and the other facilities like the wire rope and the barge which are carrying the block. The tension of the wire rope also needs to be calculated to check that the maximum value is less than the safety criteria. In this paper, a mathematical model is constructed based on multibody system dynamics considering the external forces such as the hydrostatic, hydrodynamic, wind force, etc. To observe the dynamic motions of the floating crane and the block, and to calculate the tension of the wire rope, the time and event simulations are performed by solving the mathematical model in the computer. For applying the simulations to the various production processes in shipyards, a simulation framework is developed. The simulation framework consists of a simulation kernel, application-specific modules, a simulation coordinator, development tools, and post-processing tools. The simulation kernel manages both DEVS (discrete event system specification) and DTSS (discrete time system specification) to deal with various simulation requests. The application-specific modules provide the functions used in application systems, such as dynamic analysis, collision detection, visualization, wire rope force calculation, hydrostatic force calculation and hydrodynamic force calculation. The simulation coordinator manages the data of the simulation kernel and the application-specific modules. The development tools provide a development process, a scenario manager, and a simulation model generator. The post-processing tools are used to report the simulation results. The examples of block lifting, transportation, turn-over, and assembly simulations are developed based on the framework to show that the framework is useful for the simulations of the production processes using one or more floating cranes.     

基于质点弹簧模型的无线传感器网络非测距定位算法

在无线传感器网络定位中,非测距定位因功耗低、成本低而备受关注,但其较低的定位精度限制了其应用范围。提出了一种精度较高的基于质点弹簧模型的非测距定位算法L-MSM( Localization based on Mass Spring Model)。该算法首先使用复杂度低、通信开销小的质心算法进行粗定位,然后利用改进的质点弹簧模型进行优化,使质心算法定位后成簇聚集的节点分散开来并趋近实际位置,从而实现精确定位。仿真结果表明,在通信半径较小时,L-MSM算法的定位精度相对于质心算法有显著的提高。     

超高速电梯系统动态仿真分析

电梯的振动是影响舒适性的最主要因素,针对4.0 m/s 超高速电梯系统,以轿厢- 轿架-导轨-钢丝绳耦合系统为研究对象,建立垂直系统振动动力学模型,结合机械系统动力学自 动分析虚拟样机技术,通过建立钢丝绳动力学模型、添加导轨与导靴之间的接触力、水平振动 激励及垂直振动激励,建立电梯整机虚拟样机模型,设定约束与驱动,进行动态特性仿真分析。 仿真结果表明,电梯垂直振动加速度、水平振动加速度等性能指标满足要求,为超高速电梯的 开发提供了设计依据。     

信息非对称下考虑制造商回收行为的闭环供应链协调

研究信息非对称下考虑制造商回收行为的闭环供应链协调问题,其中回收率随时间动态变化,制造商的再造品成本为私有信息.通过构建分散决策模型,得到制造商与零售商的最优均衡解,并引入批发价格契约以促使制造商传递真实的成本信息.运用伊藤过程刻画回收率的随机演化过程,通过数值仿真分析信息隐匿度和回收率等参数对供应链的影响.研究表明:回收率在较短时间内能够达到稳定值,并受不确定因素影响在稳定值上下波动.外部激励比外部约束措施更能提升回收率.信息隐匿会降低制造商的回收率和公开利润以及零售商利润,批发价格契约的引入可有效提高供应链成员利润,减小分散决策和信息非对称带来的损失,使供应链实现帕累托改进.     

基于力传感的系留无人机定位方法研究

在无GPS或弱GPS环境下,系留无人机通常采用激光雷达或视觉进行定位,由于受距离和光线的影响,无法实现精准定位。针对该问题,提出了一种基于力传感的系留无人机绳缆定位方法。系留无人机在室内飞行时,绳缆的状态可等效于悬链线,通过建立系留无人机悬链线模型,可有效估计无人机所处空间位置。使用基于力传感器的无人机、硅胶绳缆、绕线机搭建测试平台,绳缆定位数据与MarveImind的Indoor“GPS”标定无人机的位置做误差对比分析。实验结果表明:基于力传感的系留无人机定位方法,相较于Fotokite Pro无人机绳缆定位方法,定位精度提升了70.86%。该定位方法的提出,有利于系留无人机在无GPS环境下的稳定飞行。     

转炉煤气回收系统优化控制策略应用

分析了转炉煤气回收工艺特点以及影响回收效果的重要因素,阐述了实现回收过程运行优化控制的相关工艺参数指标, 提出了一种基于提高CO浓度的 优化控制方案,利用模糊径向基函数(Radical basis function, RBF)神经网络在线辨识出炉口压差与CO浓度之间的数学模型,根据辨识模型实时调整压差控制回路设定值,通过控制系统跟踪调整 后的设定值,在辨识的过程中改进了网络学习算法,使辨识网络对学习参数变化具有较好的鲁棒性,并易于收敛.在应用 此优化控制方法对煤气回收系 统进行仿真分析的基础上,投入现场应用,结果表明,此优化控制策略能明显提高煤气回收的质量和品质,达到了良好的实 际应用效果.     

偏瘫患者辅助下肢外骨骼设计与仿真分析

针对偏瘫患者外骨骼康复机器人降低外骨骼质量的要求,设计了一种辅助下肢外骨骼机器人,采用柔索驱动的膝关节,具有结构简单,质量轻的特点。同时利用ADAMS建立了外骨骼关节柔索驱动的动力学模型,绳索模块建立了柔索驱动模型,通过Ariel生物运动分析软件,采集髋、膝、踝关节运动数据,运用Spline函数进行了仿真分析。经过仿真分析柔索驱动在上台阶运动过程中的不同拉簧预紧力和拉簧刚度下传动特性和驱动力矩,为进一步研究设计下肢外骨骼提供依据。     

基于虚拟现实的高铁在坡道地段的运动仿真

在坡道地段的运动仿真是高铁在整个运动仿真中的重要部分.为了研究高铁在坡道地段的运动仿真,本文提出了基于虚拟现实的高铁运动仿真模型.首先构建高铁模型和地形;然后将高铁抽象成绳体模型,从动力学角度分析高铁在坡道地段上的受力情况和运动状态;最后在虚拟现实引擎Unreal Engine中进行相关蓝图节点的连接,利用其提供的完整套件、实时高逼真的渲染效果,将其应用在高铁的仿真中.对研究高铁线路选取设计、模拟运行以及列车速度等参数和地形的适应关系等提供了很好的手段和方法,使模拟效果与列车实际运行状态最大程度匹配,同时也给相关的其他研究提供了参考.     

一种面向步态和平衡康复训练的单绳悬吊主动减重系统设计与控制方法研究

针对患者神经损伤后发生的下肢运动障碍,减重步行训练是一种重要的康复训练方式.对于中度和轻度患者,为其提供部分身体重力支撑（Body weight support,BWS）并激励其自主行走,可以提高患者的主动参与,并有助于改善其步态和平衡控制能力,从而有望取得更好的康复效果.现有的减重技术多存在运动空间小、减重力变化大、会对患者产生前后和侧向拉力等问题.为此,本文面向步态和平衡康复训练应用,采用单绳悬吊方式,设计电机驱动的竖直拉力单元,从而构建了一种主动减重系统.在水平方向,采用桥式吊架结构,通过伺服控制消除吊绳偏摆使其保持竖直,从而避免对患者产生前后和侧向的拉力干扰.在竖直方向,只有一个控制自由度却需要完成位置随动和减重力控制两个目标,是典型的欠驱动系统.为此,采用绳牵引串联弹性驱动方法,将位置和吊绳拉力耦合起来.针对系统中存在的非线性、摩擦等不利因素,采用滑模控制方法,分别设计了吊绳偏角控制器和吊绳拉力控制器.为保证系统安全运行,进一步针对竖直拉力单元中的弹簧连接动板设计了位置控制器.最后,通过仿真实验检验了本文提出的主动减重系统和控制方案效果.由此,可为下肢运动障碍患者提供一种方便高效的康复训练手段.