针对高载荷点足式移动机器人在肢体惯量大、足端冲击强等挑战下面临的平衡步态控制难题,提出了一种并联五连杆双足结构机器人方案,并设计了稳定行走控制方法。首先,建立了五连杆结构模型,并进行了正逆运动学分析。其次,基于倒立摆(LIP)模型生成的质心轨迹与贝塞尔插值生成的足端轨迹对该机器人进行平衡行走控制,主要思路为:在单腿支撑阶段采用PD反馈控制对机器人质心轨迹进行跟踪,并且根据实时反馈的自身状态计算稳定落脚点位置,实现闭环控制。最后,结合实物模型构建了Matlab仿真实验,结果表明:行走过程中质心和关节角度状态可形成趋于稳定的极限环,该控制算法能够实现双足机器人二维空间内行走。

卫星拒止条件下无人机自主安全回收的关键是全自主、高精度的测量无人机相对着陆场站的相对位姿信息。视觉相对位姿测量直接敏感高动态运动体之间的相对位姿信息,具有全自主、高精度等优势,为无人机自主安全回收提供新的技术途径。针对视觉相对位姿测量精度易受目标特征提取精度和相机内参数标定误差影响的问题,提出了一种无人机自主着陆视觉相对位姿测量误差分析方法,该方法通过研究测量机理模型确定关键误差影响因素,计算相关参数变化对测量精度的影响,最后利用仿真分析验证本文所提方法的有效性。

为了提高城市峡谷环境下组合导航系统的定位精度和可靠性,提出了一种基于观测传感器独立更新的交互式弹性融合方法。该方法将观测传感器的先验置信度以马尔科夫链的形式引入多源信息融合过程中,与贝叶斯最大似然后验估计相结合,实现对各独立传感器的权重更新以及交互式融合,最终输出多源融合导航结果。典型城市峡谷环境下的车载实验表明:动态权重具有天然的故障检测与隔离功能,能够有效应对传感器噪声与粗差的干扰,实现多传感器的在线优选,传感器独立更新结构可以随时接纳可用导航传感器实现导航源的即插即用。与传统的基于扩展卡尔曼滤波的多传感器信息融合方法相比,所提出的弹性融合方法展现出更高的定位精度和鲁棒性。

在广泛使用的惯性/里程计组合导航应用中,一贯的方法是使用Kalman滤波器进行组合导航状态估计,展现出了强大的工程适用性。然而其对于历史状态没有修正,导致整体导航精度受限。而基于优化的方法可以平滑整体组合导航的轨迹,有望提升惯性/里程计组合导航的精度和鲁棒性。将优化方法与滤波方法在惯性/里程计组合导航应用中进行对比,分析在不同条件下优化算法和滤波算法的优劣。试验表明,基于优化的算法在含有稀疏位置观测的条件下能够比滤波算法定位精度更高。但是,无位置观测的条件下,滤波算法更加稳定和精确。可以得到:基于滤波的算法更加简单稳定,更适用于工程实践;基于优化的算法模型更加复杂,在观测约束更多的条件下能够得到更好状态估计结果。

针对强对抗、非线性、多样化等未来水下无人系统作战态势需求,以大排量无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)为载体平台,结合潜航器战技指标梳理了总体性能、总体结构、能源供电、动力推进、导航控制等内部逻辑关系,设计了潜航器惯性基多源自主导航总体工作流程以及扩展卡尔曼滤波模型,提出了大排量无人潜航器的未来技术发展趋势,为大型UUV长航时自主导航提供了基本思路。

针对惯性系统用有限倾角电机小角度往复摆动的运动特性,以提升行程范围内转矩密度与动态响应能力为目标,提出了一种新型复合磁极阵列转子构型及其高精度解析建模方法。在构型设计方面,创新地采用哈尔巴赫阵列与轴向阵列复合拓扑结构提升输出侧聚磁效果、增强非输出侧屏蔽效应,较好地平衡了转矩密度提升与轻量化转子的设计矛盾。在该拓扑结构设计基础上,提出了基于谐波分解的高精度磁场解析建模方法,通过创建虚拟边界层巧妙解决复合磁极阵列边界条件一致性的难题。通过有限元仿真与试验对新型复合磁极阵列建模方法进行了验证,求解精度优于95%,为基于模型的优化设计提供了有力工具。

耦合系统在临界耦合状态下会出现强弱耦合状态的转变,意味着该处存在着相变现象,而这种相变目前还未被人观测到。首次在耦合系统中的锁相稳态中发现了临界耦合相变,并详细研究了其背后的自发对称破缺效应。以哥氏耦合的微机电谐振器为研究平台,理论分析了锁相稳态中的谐振频率变化规律,并通过实验观测到了谐振频率的自发对称破缺和二阶相变。该结论有望为微机电谐振器的调控提供新思路。

实时精准的相对姿态测量对于航天航空、军事装备具有重要意义。传统的惯性相对姿态测量利用两个惯性器件的角速度输出进行独立姿态积分解算,不便引入外部观测,限制了相对姿态测量的应用范围。提出了一种基于双惯性器件的角速度差分相对姿态测量方法,使用两个角速度输出与当前时刻的相对旋转矩阵,获取当前时刻相对角速度,积分得到被测物与载体的相对姿态。经450s相对测姿实验验证,所提方法与传统方法的偏差为0.060°(1σ,俯仰轴)与0.015°(1σ,航向轴),均比测量误差0.510°(1σ,俯仰轴)与0.372°(1σ,航向轴)小1个数量级,可以认为纯惯性时所提方法与传统方法的测姿精度等同。相较于传统方法,所提出的角速度差分相对姿态测量方法可以接入Kalman滤波器,在有观测量时具有更高精度,适用于航天器空间对接、头盔瞄准器等工程应用。

针对量化噪声对微机电陀螺输出的影响,提出了一种基于抖动信号注入的量化噪声抑制技术。通过引入与陀螺模态无关的正弦抖动信号并择取合适的抖动信号幅值,降低了量化噪声在陀螺工作频率处的能量,有效地抑制了陀螺零偏输出中的量化噪声。该方法在蜂巢式微机电陀螺上进行了验证,实验结果表明:施加抖动信号后,系统零偏稳定性提升了3倍,从0.24(°)/h减小至0.08(°)/h,角度随机游走(ARW)从0.0096(°)/h^1/2提升至0.0039(°)/h^1/2,零偏不稳定性由0.05(°)/h提升至0.006(°)/h。实验效果证明了抖动信号注入技术抑制陀螺噪声的可行性,该方法可应用于其他类似的陀螺控制系统中。

针对卫星拒止条件下无人机高精度相对导航的需求,开展了视觉导航相对位置解算方法研究。设计了具有同心圆特征的合作标识,以提升不同距离情况下合作标识检测的鲁棒性。通过椭圆模型将相对位置解算问题转换为高次方程求解问题,实现了像素坐标系下椭圆方程的拟合。提出了基于特征点的相对位置初始化方法和基于运动约束的相对位置跟踪方法,解决了视觉相对位置解算过程中存在的二义性问题,实验结果表明:近距离情况下,所提方法的相对导航解算精度达到厘米级;远距离情况下,所提方法能较好地跟踪相机运动,保持较高的解算精度和鲁棒性,克服了基于二维码ArUco方法失效的不足。

针对消防员在地下矿洞、隧道、室内等救援环境中存在因卫星拒止而导致的定位精度差的问题,设计了一种基于多传感器零速修正(Zero-velocity Update,ZUPT)的消防员定位方法。该方法以捷联惯导零速修正为基础,磁强计、高度计为辅进行定位,将惯性传感器、磁强计、高度计固连在鞋上,根据消防员行走过程中脚底完全接触到地面时速度基本为零这一特点,通过Kalman滤波对捷联惯导输出的导航信息进行修正,可实现无信标环境下消防员自主定位。通过半实物仿真实验采集离线数据并计算定位结果,验证了算法的有效性,误差比不超过1%D。

由于陀螺电机在运转时的振动情况无法被常规测试项目检测,导致其作为一种常发故障成为陀螺电机在使用中的难题。以轴承缺陷及谐振造成的陀螺电机振动为研究对象,通过激光测振输出信号,运用小波包变换进行信号分析,得到振动频率谱。存在缺陷并不代表陀螺电机不可使用,为提升振动频率谱的实际使用性,在传统陀螺电机故障频率之外增加与陀螺系统自身频率点的对比并进行评估,实验测试结果与实际使用情况的比对可确认该方法具有可行性,可定位陀螺电机振动故障原因,并在陀螺系统协振频率基础上提高生产质量。

随着高动态飞行器速度和机动性的不断提高,控制系统面临着高非线性、强耦合、快时变、不确定等难题。为提升高动态飞行器过载控制系统的控制精度和稳定性,提出了基于角加速度反馈的自动驾驶仪设计方案,并设计了自抗扰控制系统及其稳定性分析方法。首先,设计了基于角速度和角加速度反馈的PI两回路控制系统方案。然后,基于角加速度反馈设计了自抗扰过载控制方法,并对系统稳定性进行了频域分析。最后,开展了仿真实验研究,结果表明:对于传统的PI过载控制,采用角加速度反馈控制系统的性能明显优于角速度反馈;基于角加速度反馈的自抗扰过载控制系统相比于传统的PI过载控制系统具有更优良的控制效果,显著提升了系统的稳定性和鲁棒性。

在轨挠性卫星的工作环境恶劣,不仅有外部干扰和挠性附件振动引起的内部干扰影响本体的姿态,还可能发生执行器故障。针对存在外部干扰和执行器故障的挠性卫星,提出了一种基于故障估计器的容错控制策略。首先,针对未知的外部干扰和执行器故障构造辅助系统,并利用投影函数设计自适应故障估计器估计执行器效率损失因子,同时设计了基于参数自适应律的方法补偿外部干扰、挠性部件震荡引起的内部干扰和执行器加性故障。然后,借助估计信息设计了基于反步法的容错控制器,并利用Lyapunov方法分析了闭环系统的稳定性,进而确保研究的控制方法能够使得挠性卫星的姿态和角速度有效跟踪期望信号。最后,通过数值仿真对比验证了所设计控制器的有效性。该容错控制策略能保证挠性卫星在内外部干扰和执行器故障下的跟踪控制效果,具有实际应用价值。

半球谐振陀螺是一种新型哥氏陀螺,具有广阔的发展前景。制造工艺和装配误差等因素会引起半球谐振陀螺阻尼不均匀,进而导致外界小角速度输入时系统会产生闭锁效应。针对此问题,在半球谐振陀螺动力学模型以及信号处理模型的基础上,提出了一种驱动振型虚拟旋转的锁区克服方法。首先,对半球谐振陀螺的闭锁效应进行了理论分析;其次,介绍了虚拟旋转法的基本原理;最后,验证了虚拟旋转法对克服锁区的有效性。仿真结果表明,加入虚拟旋转后,陀螺的方位进动角能够实时跟踪外界输入角速度,有效地克服了陀螺的闭锁问题。