单目视频运动目标轨迹三维重建的平滑约束法

提出了利用单目视频重建运动目标三维轨迹的平滑约束方法.通过引入平滑约束,得到重建运动目标三维轨迹的无约束最优化模型,进而推导出其闭式最优解.提出的平滑约束是对运动目标三维轨迹的本质约束,更具一般性,可以反映目标运动的连续、渐变与平滑特性,与基于离散余弦变换基和多项式基等预先定义基约束相比具有更强的适应性,同时能够直接应用于部分观测数据缺失的情形.给出了单目视频轨迹重建问题的几何解释,并对轨迹重建问题中的唯一性进行分析.仿真和真实单目视频序列上的实验证明了提出方法的有效性和先进性.     

基于闭环控制的自主交会多目标最优轨迹设计

对闭环控制条件下的自主交会多目标最优轨迹设计方法进行了研究.基于相对动力学方程,建立了以仅测角为测量参数的相对导航模型;根据线性协方差分析方法,对追踪器在仅测角条件下的相对导航及相对运动轨迹控制偏差进行了分析,并以此为基础,建立了评价自主交会轨迹鲁棒性的指标.采用NSGA-II多目标遗传算法,对考虑燃料消耗和轨迹鲁棒性的多目标最优自主交会轨迹设计问题进行了求解.最后,通过MonteCarlo打靶仿真验证了协方差分析结果的正确性,并对Pareto可行解集中的相对位置鲁棒性最优解进行了仿真验证.     

基于特征点的空间目标三维位姿单目视觉确定算法

针对基于特征点的空间目标包括相对位置和相对姿态等的三维位姿单目视觉确定问题,提出了一种基于逆投影思想的迭代方法.给出了一种包含景深估计和绝对方位解算两阶段的迭代算法,在景深估计阶段首先计算由转移矩阵表示的最优平移矢量,然后重构各特征点,并利用其在逆投影线上投影更新各特征点的景深;在绝对方位解算阶段采用Umeyama绝对方位解析算法计算相对姿态矩阵,上述两阶段迭代进行直至结果收敛.利用全局性收敛性定理证明了文中算法的全局收敛性.最后,以航天器交会对接最终逼近段的视觉测量为背景对该算法进行了数学和物理仿真,进一步验证了算法的有效性和收敛性.     

基于传递像机摄像测量的不稳定平台的静态基准转换方法

针对摄影/摄像测量或其他测量领域中测量平台不稳定会给测量结果带来较大误差,甚至不可用的问题,本文提出了基于传递像机的不稳定测量平台向静态基准转换的概念和方法.在不稳定平台上安装传递像机,实时拍摄静态基准上的参考标志物;或者在静态基准上安装传递像机,实时拍摄不稳定平台上的参考标志物,进而解算出不稳定平台相对于静态基准的三维运动,并据此对观测结果进行误差修正,消除平台运动的影响.该方法使摄像测量在不稳定平台上也能高精度进行动态测量,有效拓展了摄像测量的一类重要应用范围.实验验证和数值仿真分析证实了本方法的有效性和实用性.     

一种环月交会对接航天器的自主导航方法

我国正在进行月球采样返回工程,月球轨道交会对接是采样返回任务中关键环节之一.本文提出了一种新交会过程中目标航天器和追踪航天器自主航方法.该方法综合利用成像敏感器、交会雷达和激光高度计测量信息,结合绝对轨道动力学模型,利用UKF滤波算法设计航滤波器,能够同时估算交会对接过程中追踪航天器和目标航天器绝对轨道参数.在月球阳照区,采用成像敏感器和交会雷达测量信息进行自主航;在月球阴区,则采用交会雷达和激光高度计测量信息进行自主航.通过理论分析和数学仿真,验证了所提出自主航方法有效性.本文所提出方法为月球轨道交会对接工程实现提供了理论参考.     

基于视觉的机械臂空间目标抓取策略研究

空间非合作目标的探测和抓取是空间机械臂的重要应用目标,为了解决空间目标的位姿测量和捕获问题,本文深入分析了机械臂特性和目标特性,在建立机械臂、相机和目标的运动关系的基础上,基于立体视觉实现了对空间目标的位姿测量,控制机械臂进行抓取预定位.考虑立体相机的测量误差和机械臂的控制精度因素,在抓取末阶段采用单目相机,基于图像的视觉伺服策略控制机械臂进行精确位姿调整对目标进行抓取.通过机械臂对空间目标的抓取实验验证了该抓取策略的有效性.     

中国载人交会对接技术的设计与实现

中国在载人航天工程第二步第一阶段任务中,自主研制了天宫一号目标飞行器和神舟八号、神舟九号、神舟十号载人飞船,通过3次在轨飞行任务完成了8次交会、6次对接,覆盖了自动和手动等多种交会对接模式,突破并掌握了交会对接技术.从交会对接系统、交会轨道、交会测量和控制、信息传输、对接与分离、飞行方案,以及试验验证等方面对中国载人交会对接设计的技术特点、所采用的创新技术方法和解决的技术难题进行了介绍,在飞行验证的基础上分析了工程任务取得的成果,与国际水平进行了综合比较,对中国载人交会对接技术的设计和研制情况进行了总结.     

神舟飞船交会对接人工控制系统设计

神舟九号飞船首次人工控制(以下简称"人控")交会对接的圆满完成,标志着我国全面掌握了空间交会对接人工控制和自动控制技术.交会对接人控系统为航天员提供稳定可靠的操作平台和驾驶飞船的操作方法,对人控交会对接任务的成败起着至关重要的作用.本文在分析交会对接人控系统设计原则的基础上,阐述了人控交会对接控制系统组成和各主要部件的工作原理,首次提出了通过电视摄像机图像进行相对状态确定的测量参数定义及其估计方法,并给出了人控交会对接的操作方法.神舟九号的在轨验证说明了交会对接人控系统操作简单、可靠,满足高精度的对接要求,该项技术具有良好应用前景.     

嫦娥三号月球车机械臂探测点定位方法

结合中国嫦娥三号月球车探测的科学应用目标,提出了一种基于投影变换的机械臂探测点定位方法.该方法在总结鱼眼镜头成像模型基础上,建立球面投影与透视投影间的转换关系,求得球面投影中像主点坐标和球半径,利用相关参数将球面投影图像转化为透视投影图像;结合月球车上鱼眼相机的安装位置相对固定,将转换后的透视投影图像重采样生成核线影像.利用相关系数和最小二乘匹配,在鱼眼相机核线影像上实现特征点的亚像素级匹配.通过前方交会计算探测点的三维坐标,并结合探测点邻域点坐标拟合最佳空间平面,获取平面的法向量,即机械臂探测点的定位.采用该方法对仿真图像进行了定位计算,并将计算值与仿真真值进行比较,总误差约为2 mm.实验结果表明,该方法完全能够满足嫦娥三号月球车机械臂探测的定位精度.     

神舟飞船交会对接自动控制系统设计

2011年11月、2012年6月、2013年6月相继发射的神舟八号、神舟九号、神舟十号无人和载人飞船分别与天宫一号目标飞行器成功地进行了4次自动交会对接.本文首先简要介绍了神舟飞船交会对接自动控制系统的组成和飞行阶段划分,重点对自动交会对接制导、导航和控制的设计方案和算法进行了介绍,对决定交会对接任务成败的导航精度、制导精度和控制精度进行了分析,并给出了在轨飞行验证结果.     

水驱油两相流物理模拟相似参数的敏感性分析

提出了相似参数的敏感性分析方法, 定义了表征目标函数对相似参数依赖程度的敏感因子. 以五点法井网为基础, 建立了考虑重力、毛管力、油水和岩石压缩性等因素影响的三维两相水驱油物理模拟的相似准则. 通过相似参数的敏感性数值实验, 定量分析了各个相似参数对于水驱油计算结果的影响程度, 即对各个相似参数的敏感因子进行比较, 确定了各个相似参数的主次关系. 结果表明: 各个相似参数的敏感因子在10^-4 ~10⁰, 为定量确定水驱油物理模拟主要相似参数, 实现部分相似提供了理论依据和设计原则.     

基于压缩感知的宽孔径SAR成像

宽孔径SAR数据包含目标不同姿态角散射信息,实现宽孔径SAR成像对目标轮廓重构与解译识别具有重要价值.本文首先提出点模糊函数(point ambiguous function,PAF)研究影响压缩感知SAR成像的因素,然后用模型失配函数(model mismatch fucntion,MMF)分析宽孔径测量条件下点散射模型失配对成像性能的影响.最后根据上述结论,选择发射信号参数改善测量矩阵性能,利用广义似然比检验方法克服模型失配对成像性能的影响.实验结果验证了本文结论的正确性和成像算法的有效性.     

不同运行环境下高速列车外形气动优化

基于多目标遗传算法NSGA-II和近似模型方法,以明线列车气动阻力和侧风下头车倾覆力矩为优化目标,对列车三维外形进行气动优化设计.建立了基于Hicks-Henne型函数的列车三维参数化模型,对比分析了不同近似模型对列车气动力计算近似精度的影响.研究了列车头部纵向轮廓线、头部水平轮廓线、车身截面形状、鼻尖形状、排障器形状、头部侧翼形状、列车车身高度以及宽度等外形因素对列车在不同运行环境下气动性能的影响,得到了影响优化目标的关键变量.优化结果表明:优化后的列车外形向着头型更尖扁,横断面积更小,车身侧壁弧度增加的方向变化;与原始模型相比较,优化后明线列车气动阻力最大幅值减小了17.5%,侧风下头车侧滚力矩最大幅值减小了22.9%.     

相干情形下同极化通道特征极化研究

针对相干情形特征极化理论末涉及目标参数变化对特征极化的影响,结合同极化功率密度图详细研究了这一问题．首先对极化散射矩阵进行变极化基处理使其对角化;然后定义了矩阵幅度、绝对相位、幅度比及相位差等4个目标参数,将该对角阵参数化;在此基础上研究了4个目标参数变化对同极化通道目标特征极化的影响,包括其在功率密度图上的个数、位置及极性;最后利用Poincare极化球表征了这些特征极化,并得出了6点结论．实际目标特征极化求解的实验结果验证了理论分析的正确性．     

小展弦比薄机翼精细化气动优化设计研究

战斗机类小展弦比薄机翼的气动设计,主要考虑机翼的平面形状以及弯扭和厚度修形设计,忽略了机翼翼型的精细化设计,因此气动分析手段一般采用Euler方程结合黏性阻力修正的方法.以某典型战斗机机翼为例,分别使用Euler和RANS方程对机翼的流场与气动特性进行了数值模拟,发现Euler方程无法精确捕捉附面层内的流场结构,证明传统使用的Euler方程已不能满足战斗机机翼精细化设计的需要.对该机翼的翼型进行了气动优化设计,发现翼型的设计对该小展弦比薄机翼会失效,证明这类机翼必须在三维环境下进行多剖面翼型设计.综合FFD参数化方法、稳健的动网格技术、Kriging代理模型和粒子群算法,构建了三维气动优化设计方法.利用该方法对该机翼三个剖面翼型进行了跨音速巡航状态单目标以及跨音速/超音速巡航状态多目标精细化化设计,优化设计后机翼的气动性能得到很大的提高.     

弯曲河床中底沙运动和河床变形的三维k-ε-kp两相湍流模型

建立了曲线坐标系下的三维k-ε-k_p固液两相双流体湍流模型, 模拟了弯曲河道内的底沙运动和河床变形. 计算了实验室120°弯道内水沙两相流的时均流速、泥沙运动以及床面变形, 数值结果较好地再现了实验规律. 同时, 比较了单流体模型和k-ε-k_p模型的数值结果. k-ε-k_p模型能够求解悬沙的三维速度场, 并采用零梯度边界条件获得底沙的运动信息. 计算结果表明在弯道内泥沙运动轨迹的变化比水流运动轨迹的变化平缓, 泥沙轨迹从弯道入口开始逐步偏离水体轨迹, 其偏离程度随泥沙粒径增大而增大. 通过采用底沙的运动强度和方向来求解推移质运动方程以及床面变形, k-ε-k_p模型能够比单流体模型更好地模拟弯道内的床面演变.     

基于直接控制FFD参数化方法的跨声速层流翼身组合体稳健性设计

自由变形技术(FFD)技术不是对几何外形的直接操作,进行精细化设计时需引入高阶FFD控制体,针对其在参数化几何外形时的局限性,开展了直接控制FFD参数化方法的研究.通过对基础外形典型剖面进行扰动,将扰动量通过参数识别反映到FFD控制节点上,反求控制节点的位移,有效地降低了高阶FFD控制体进行三维外形参数化时设计变量的个数,并且将典型剖面参数化与三维外形灵活结合,更具物理直观性.运用此参数化方法结合四元数网格变形技术,采用γ- Reθt转捩模型进行边界层数值转捩模拟,多种群协作粒子群算法以及自适应采样技术构建稳健性优化设计系统,运用该系统对于跨音速层流翼身组合体进行了稳健性设计,设计结果表明,优化后的翼身组合体在马赫数不确定性范围内不仅可以保持大范围的层流区域,还可以控制激波缓慢发展,具有较好的稳健性.     

嫦娥四号月面巡视器全景相机制图方法

作为嫦娥四号月面巡视器的科学载荷,全景相机不仅承担着探测月面地质的任务,同时可以用于制图和地形重建,直接服务于巡视器的导航规划工作.在试验场选用一种模型方法用于前期标定实验,但为了后期制图工作的方便往往需要选用另一种模型,基于此,本文提出了一种基于畸变模型参数转换的去畸变方法,技巧性地解决了标定模型和制图模型不一致的问题,并融合支持像点(support points)稠密匹配、空间前方交会、最小二乘光束法平差、离散点云生成、德劳内三角化等多项技术,将全景相机影像用于制图工作.基于月面巡视器在LE00210站点拍摄的全景相机影像,在实验室构建控制场对本文提出的畸变模型参数转换方法进行了可行性和精度测试,结果表明畸变模型转换后定位精度优于1.6 cm,相对距离精度优于4%,并成功应用于嫦娥四号巡视器全景相机制图.     

基于时频特性的窄带高速自旋目标运动估计及成像算法

针对窄带观测高速自旋目标的逆合成孔径雷达成像,考虑径向运动未精确补偿情况下,利用回波时频特性对自旋目标的运动参数进行高精度估计,并提出了相干单距离Doppler干涉高分辨率二维成像方法.该算法利用相干积分的方法对目标的二维时频谱密度函数进行重构得到目标的二维分布,较原来的算法在分辨率方面有较大改进,在低信噪比条件下同样适用.仿真验证了算法的有效性和参数估计的高精度.     

交会对接载人组合体热管理技术研究

组合体热管理是优化交会对接载人组合体热控设计,实现长期载人热环境控制的重要手段.在对目标飞行器和载人飞船组合体热特性分析的基础上,提出了以舱段间通风为技术手段的交会对接载人组合体热管理方案,并结合热平衡试验数据,建立了组合体热管理系统分析模型.仿真结果、地面热平衡试验数据和在轨飞行数据表明,组合体密封舱内空气流速分布满足要求,温度在19~26°C可调,空气相对湿度在30%~70%范围内,验证了交会对接载人组合体热管理设计的正确性.最后对空间站等复杂组合体热管理设计提出了建议.