基于进化计算的无人飞行器多航迹规划

针对飞行器多航迹规划问题展开研究.在分析多峰值函数优化问题的基础上,提出了一种基于进化计算的飞行器多航迹规划方法.该方法通过使用特定的染色体表示方法和进化算子,可以有效利用各种环境信息,处理各种航迹约束.同时,通过引入聚类算法,将种群中的个体按其空间分布进行聚类,生成若干个不同子种群.在进化过程中,所有个体只在各自的子种群内部进化.当进化结束时,每个子种群将分别生成一条各自的最优航迹,从而为飞行器生成多条不同的可选航迹.仿真结果表明了该方法的有效性.

三维环境中基于ESMF的多机器人协作观测方法

提出了一种基于扩展集员估计（ESMF）的多机器人协作观测方法，该方法将多机器人之间的观测数据融合过程嵌入到估计过程当中，从而减少了数据处理的过程，增强了算法的快速性。同时，这种方法在实现协作观测时只需要协作机器人传送观测信息而不是整个的估计信息，因此可以减轻多机器人系统的通信负担。除此之外，该方法在融合多机器人的观测数据过程中避免了多余的近似过程，增加了观测的准确性。最后，给出了三维环境下的仿真结果，验证了方法的可行性。

非完整系统鲁棒控制方法及在水面移动机器人中的应用

近年来，随着机器人技术的发展，各种各样的移动机器人系统正在开始应用于工业、国防安全、公共安全、灾难救援、科学探测等领域；但是，遥控作业仍然是制约移动机器人广泛应用的一个核心问题。如何使机器人系统摆脱遥控的束缚而具有全自主行为能力，是目前机器人学领域重点研究的关键问题之一。自主环境适应能力是移动机器人最基本的自主能力之一。机器人系统需要面对不可预知的、动态的、存在时变扰动和噪声的工作环境，这通常会导致机器人动力学参数的变化，从而使传统的机器人控制技术很难得到满意的控制效果并达到自主环境适应的目的。同时，目前的移动机器人系统大都受非完整约束的影响，由于其约束的不可积性，使其控制与规划变得异常困难，因此研究移动机器人在存在不确定情况下的鲁棒控制问题，以及存在非完整约束条件下的镇定问题和规划问题具有非常重要的理论意义和实际应用价值。本文以沈阳自动化所与大连理工大学联合研制的三体船型水面移动机器人（UTV）这个典型的受不确定以及非完整约束影响的系统为背景，研究其在存在大量不确定因素及外界环境干扰条件下的鲁棒控制问题和其在受制于非完整约束情况下的镇定和运动规划问题，其中前者主要针对系统在受风、流、浪等外界干扰下的鲁棒控制问题；后者旨在解决满足非完整约束条件下的非线性系统规划与控制问题。本论文的具体内容安排如下：第1章，简单介绍了非完整系统的概念，归纳出非完整系统在控制上的两方面核心问题，即：不确定性及扰动的抑制问题和运动规划与控制问题。对解决这两类问题的现有方法进行了深入分析和综述，包括动态模型的在线估计共性方法、非完整约束系统运动控制方法、以及优化与预测控制方法，同时，介绍了本文作为仿真与实验对象的三体船型水面平台的发展概况。针对现有方法存在的问题有针对性地提出了本论文的研究内容。第2章，首先简要介绍了机器人学国家重点实验室与大连理工大学联合研制的三体船型水面移动机器人试验平台，作为本论文后续仿真与实验研究的对象，介绍了该平台的动力系统与控制系统。从运动控制的角度出发，综合考虑推力、水动力等对整个系统的动力学进行了分析，建立了完整的6自由度动力学模型以及水平面运动的简化模型。在此基础上，分析了三体船型水面移动机器人的非完整约束特性和能控性，为后续方法研究奠定了基础。第3章，提出了一种基于主动建模的鲁棒控制设计方法。对于包含难以准确建模动力学以及外来扰动等不确定性的系统，可以将其动力学模型合理简化，而将所有不确定因素以模型差的形式引入到系统中；将引入的模型差与系统原有状态组合成增广状态，构造出联合估计模型；再利用在线估计方法实时估计这个模型差；同时，将估计出的模型差利用某种控制策略反馈到控制量中，达到增强系统鲁棒性的目的。针对三体船型水面移动机器人，在理论上分析了上述方法的稳定性，并在实际三体船型水面机器人上开展了实验比较研究。实验结果表明此方法对系统中存在的各种不确定因素具有很好的抑制作用。第4章，重点研究非线性系统在线估计以及将在线与控制相结合的问题。在简要介绍可以用于非线性估计的UKF方法的基础上，针对其性能严重依赖噪声先验知识的问题，提出了一种基于主从结构的自适应滤波器设计方法。同时针对三体船型水面机器人非线性系统模型中存在的不确定性因素，提出了一种基于自适应UKF的指数跟踪控制器设计方法。仿真结果验证了自适应UKF算法的性能提高，同时验证了基于在线估计的指数跟踪控制器对时变参数与扰动的抑制作用。第5章，研究了非完整约束系统的镇定控制问题。提出了一种高维流形嵌入法；通过把二阶非完整约束系统嵌入到高维流形中，将在原空间中镇定到一个点的问题转化成在扩展的状态空间中镇定到一个子流形的问题；从而，可以将原空间不可连续反馈镇定的控制问题转化为高维流形中可连续反馈镇定控制问题，理论上证明了该方法的正确性和完备性。针对三体船型水面移动机器人的仿真结果验证了该方法的正确性。第6章，针对非完整约束对移动机器人可执行轨迹的制约问题，提出了跟踪控制Lyapunov函数的概念，并将其引入到非完整系统地运动规划中，用跟踪控制Lyapunov函数来保证规划算法的收敛性和可执行性。该方法将非线性预测控制与基于跟踪控制Lyapunov函数的广义逐点最小范数控制相结合，得到了一种在保证闭环稳定性前提下的运动规划算法；理论上证明了该方法的正确性，并针对三体船型水面移动机器人动力学进行仿真验证。

基于Vega Prime的多水下机器人视景仿真系统的设计与实现

介绍了一套多水下机器人三维视景仿真系统。该系统采用虚拟现实技术，利用虚拟仿真软件VegaPrime 与Visual C++.NET 2003 混合编程实现三维视景仿真。它主要用于海洋环境的模拟和多水下机器人运行时的位姿更新、碰撞检测、环境效果及各种特效的实时显示。此外，它还具有响应各种输入/输出设备的功能和通过人性化图形界面接口与用户进行交互的功能。

基于LBL声信标的AUV快速精确定位

长基线声学定位系统是水下机器人广泛应用的外部导航设备。以对"CR-02"6000m自治水下机器人(简称AUV)技术的深入开发为背景,提出在原有长基线(LBL)定位系统的基础上增加导航功能的方案。由于海水介质非均匀性与复杂的时空变化特性,给基于测距的位置计算带来很大困难。采用平均声速法计算耗时小而误差大,波阵面定位法误差小而耗时大。为解决这个矛盾,根据AUV深度传感器给出的深度信息,采用本征声线快速计算方法解算AUV的水平面位置。与波阵面法、平均声速法进行了综合比较。仿真实验表明该方法具有优良的性能,满足AUV导航需要。

一个面向异构多UUV协作任务的分层式控制系统

针对异构多UUV协作任务,提出了基于多智能体系统的分层式体系结构(MAHA).在个体层面,将UUV智能体的思维状态分为社会心智和个体心智两个层次分别实现,更加符合人类社会协作模式;在群体层面,提出了复杂海洋环境下UUV群体结构的评价准则,并据此将MAHA与现有结构进行了对比分析.此外,利用面向对象的Petri网理论建立了系统的协作模型,有效降低了系统建模的复杂性.最后,水下多目标搜索使命的实例研究表明,MAHA能够保证异构UUV之间进行有效的协作.

水下机器人粘性类水动力数值计算方法研究

通过对通用流体动力学仿真软件CFX的研究,提出了一套水下机器人粘性类水动力的数值计算方法.该方法采用标准k-ε湍流模型计算位置力系数,采用标准k-ω湍流模型计算旋转力系数及其它耦合水动力系数.对“CR-02”6000 m自治水下机器人的计算表明,通过这种方法获得的水动力系数具有较高的精度,可以满足水下机器人方案设计阶段的操纵性设计、运动预报和仿真等需求.

基于时延Petri网的多UUV系统的任务分配策略

针对多水下机器人(unmanned underwater vehicle,UUV)系统动态任务分配问题展开研究,在对系统的体系结构和任务分配机制进行分析的基础上,利用时延 Petri 网理论对系统的任务分配进行建模,提出了一种新的任务分配策略:群体协调层采用集中式任务分配策略,由主 UUV 将任务实时下达给各从 UUV;监控规划层采用基于适应度的分布式任务分配方式,充分发挥各异构 UUV 自身的智能。仿真结果验证了模型的合理性和任务分配策略的有效性。

基于跟随领航者法的多UUV队形控制方法研究

本文主要研究基于跟随领航者法的多 UUV(unmanned underwater vehicle)队形控制。在 UUV 载体坐标系下建立系统的运动学模型,该模型是对笛卡尔坐标系下的运动学模型的改进,避免了极坐标系下奇异点的出现。该模型经过输入输出反馈线性化,获得稳定的队形控制器。同时,为了缩小队形控制律中的控制参数的调整范围,本文提出了辅助算法,在此基础上分析参数的有效范围。将队形控制律在多 UUV 数字仿真平台上验证,证实了改进的运动学模型和控制律的有效性。

多水下机器人的队形控制方法研究

本文采用跟随领航者法研究多水下机器人(Unmanned Underwater Vehicles, UUVs)的队形控制，研究内容主要包括三个方面：设计基于运动学模型的多UUVs队形控制器；将该队形控制器结合机器人的动力学特性研究队形控制问题；研究领航者避碰算法以及多UUVs群体的队形变换策略。 跟随领航者法根本的问题是研究领航者与任意一个跟随者之间的协调问题，因此本文将复杂的多UUVs系统简化为若干组两个UUVs组成的基本队形模型。为了避免出现极坐标系下不可预见的奇异点，我们提出在UUV载体坐标系下建立运动学模型，实现与UUV动力学坐标系的统一。将该模型转化为误差动力学模型之后，经过输入输出反馈线性化，得出基于运动学模型的队形控制律。将该控制律应用到多UUV的队形控制问题中，则每个跟随者与领航者之间都具有协调，跟随者之间互相独立。 上述队形控制器中UUV具有无限快的速度跟踪能力，而实际上UUV不具备这样的能力，因此在队形控制器的设计过程中应结合UUV的动力学特性，使得对多UUVs队形控制问题的分析和设计更接近实际。本文以基本队形模型为研究对象，结合实际载体的动力学特性，研究队形控制器。 在未知的海洋环境中，当多UUVs系统检测到障碍物时，本文所采用的策略是：领航者采用基于模糊逻辑的避碰控制算法，顺利地通过障碍物区域；同时，领航者依据其艏部的避碰声纳信息，发出变换队形的指令。该策略使得领航者在引领跟随者顺利通过障碍物区域的同时，又不影响领航者与跟随者之间的协调。 在变换队形的过程中，存在着UUV之间发生碰撞的隐患，本文提出了就近原则：领航者左侧的UUV依然在左侧或中间，右侧的依然在右侧或中间。 本文分别利用了MATLAB仿真平台和多UUVs数字仿真平台，验证了以上各方法的有效性。由于多UUVs数字仿真平台中的控制参数、水动力系数、传感器参数均源自于实际的载体和历次湖试、海试的试验数据，UUV之间的通信信道是基于实际的水声通信模型，因此该平台上的仿真结果可以证明上述方法具有实际可行性。

从有缆遥控水下机器人到自治水下机器人

文章给出了水下机器人的定义 ,依据定义进行了分类 ,简要回顾了几类重要水下机器人的进展 ,指出了无人无缆自治水下机器人 (AUVs)是当今水下机器人研究与开发的热点 ,介绍了最近 2 0年沈阳自动化研究所与国内外有关单位合作 ,在水下机器人领域从无人有缆遥控水下机器人 (ROVs)到AUVs的研究开发工作 ,它从一个侧面反映了我国在这一领域的进展情况。

Research Progress On Thermal Protection Materials And Structures Of Hypersonic Vehicles

Hypersonic vehicles represent future trends of military equipments and play an important role in future war. Thermal protection materials and structures, which relate to the safety of hypersonic vehicles, are one of the most key techniques in design and manufacture of hypersonic vehicles. Among these materials and structures, such as metallic temperature protection structure, the temperature ceramics and carbon/carbon composites are usually adopted in design. The recent progresses of research and application of ultra-high temperature materials in preparation, oxidation resistance, mechanical and physical characterization are summarized.

Chemical Nonequilibrium Effects on Flow Field for Reusable Launch Vehicles

High temperature chemical non-equilibrium phenomena have a great effect on the flow field around a reentry vehicle. A set of three dimensional Navier-Stokes equations have been solved by implicit finite volume NND scheme. Both ideal gas viscous flow and chemical non-equilibrium flow are calculated for a spherical-cone at a small angle of attack. The results of the two flows have been compared and the effect of chemical non-equilibrium has been analyzed. The effect of wall material's properties, such as catalysis and radiation were studied. The results are in good agreement with the referenced paper.

Experimental Demonstration Of A New Concept Of Drag Reduction And Thermal Protection For Hypersonic Vehicles

A new idea of drag reduction and thermal protection for hypersonic vehicles is proposed based on the combination of a physical spike and lateral jets for shock-reconstruction. The spike recasts the bow shock in front of a blunt body into a conical shock, and the lateral jets work to protect the spike tip from overheating and to push the conical shock away from the blunt body when a pitching angle exists during flight. Experiments are conducted in a hypersonic wind tunnel at a nominal Mach number of 6. It is demonstrated that the shock/shock interaction on the blunt body is avoided due to injection and the peak pressure at the reattachment point is reduced by 70% under a 4A degrees attack angle.