临近空间高超声速滑翔飞行器(Hypersonic Gliding Vehicle,HGV)具有高速、高机动特性以及超强的突防能力,对现有防御系统造成严重威胁。针对临近空间高机动目标拦截任务中跟踪预测难的问题,提出一种基于气动力加速度估计的HGV智能轨迹预测方法。根据HGV目标运动模型,分析其机动模式和气动力变化规律,选定气动升力加速度、气动阻力加速度和倾侧角控制量3个参数作为轨迹预测参数,替代目标运动模型中的未知项。建立基于气动加速度估计的动力学跟踪模型,利用雷达量测数据和无迹卡尔曼滤波实现预测参数的实时跟踪估计,并以此为输入构建长短时记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)网络训练模型,对预测参数的变化规律与时序关系进行在线学习。利用训练完备的LSTM预测网络迭代预测目标未来时刻的气动加速度,结合运动方程数值积分外推,实现目标轨迹在线预测。数值仿真结果表明,新方法能有效预测非合作HGV目标轨迹,预测精度高、稳定性好。

为优化串联式混合动力履带车辆的燃油经济性及能量管理系统的离线训练用时,提出一种采用蒙乔森(Munchausen)优化算法及优先经验采样(Prioritized Experience Replay,PER)算法的双重深度Q网络(Double-Deep Q_learning Network,DDQN)的能量管理策略。通过包含发动机发电机组、动力电池组及驱动电机的模型对整车功率需求进行解算,根据功率需求,用能量管理控制策略对发动机节气门开度进行最优控制。采用蒙乔森优化算法、PER算法共同作用于离散型DDQN,同时提高网络对高影响数据的选取训练概率及对最优解的专注训练能力,在2种算法共同作用下DDQN能量管理策略的燃油经济性可实现对连续型复杂神经网络的超越,同时具有较大的离线训练用时优势。仿真实验结果表明:与基于PER的双延迟深度确定性策略梯度算法相比,新的能量管理控制策略可使得串联式混动履带车的燃油经济性平均提高4.6%,控制策略训练用时平均优化了35.3%。

为研究潜射导弹在极地水下环境下发射的相关机理,基于有限元分析软件、采用任意拉格朗日-欧拉方法和光滑粒子流体动力学方法分别搭建流体和无限大整冰模型,并针对冰力学性能对应变率敏感的特性,采用添加了状态方程的塑性压缩张量材料模型,构建水下航行体出水破冰的流固耦合仿真模型。在完成关键数值计算方法有效性验证的基础上,通过数值仿真分析研究不同冰层厚度、航行体速度条件下航行体所受载荷变化情况,并得到航行体在破冰过程中所受到的碰撞接触力和破冰过程中航行体及冰的应力分布。研究结果表明:航行体出水破冰过程中,随着冰层厚度的增加,航行体受到的接触作用力增大,作用时间增长;随着破冰速度的增大,航行体所受接触作用力增大,作用时间缩短。

为保证无人水下航行器在执行海岸线巡逻、大型船只避碰以及穿越密集岛礁等复杂任务时的安全性,提出一种基于控制障碍函数的椭圆模型障碍物避障方法。在对障碍物进行椭圆形建模的基础上设计包含艏向角约束的控制障碍函数,构建带有约束条件的二次规划问题,通过与无障碍环境下的制导律相结合,得到闭式解形式的避障制导律。仿真结果验证了所提方法的有效性,可全局上满足安全性和稳定性要求,对于无人水下航行器在复杂海洋环境中的安全航行具有实际应用价值。

针对航行体与冰相互作用的强非线性问题,通过相似理论推导出影响航行体破冰的关键无量纲参数,进行航行体高速贯穿冰层的缩比模型试验。基于高斯拟合函数提出一个冰载荷预测公式;建立航行体破冰出水的流固耦合模型,通过改变航行体的头部形状、航行体撞击冰层的动能和冰层厚度,对破冰现象、冰载荷以及航行体运动特性进行分析。研究结果表明:在破冰过程中,航行体头部空泡的体积不断减小,肩部空泡的体积逐渐增大,空化效应越来越剧烈。当航行体初始速度为40m/s时,半球型、球锥型、尖锥型航行体的冰载荷极值分别为35700kN、33200kN、18600kN,尖锥型头部航行体破冰前后速度损失率最低,破冰效果最好;在冰层厚度为180mm、弹射压力分别为3MPa和5MPa的条件下,航行体破冰后速度分别由13.1m/s、17.8m/s降低至9.5m/s、13.4m/s;航行体破冰速度越大,速度损失率越低,动能损失越大;冰载荷极值和航行体速度损失率随着冰层厚度的增加而上升,航行体初速度对载荷特性和运动特性的影响效果随着冰层厚度的减小而弱化。

为了研究自由面对超空泡形状以及航行体水动力的影响,采用自适应网格方法结合流体体积方法对近自由面条件下超空泡航行体的运动过程进行数值模拟研究,分析自由面对超空泡形状、航行体升力、阻力、转矩的影响。研究发现:自由面的存在会导致超空泡尾部远离自由面偏移,超空泡的长度远小于无限水域中的超空泡长度;近自由面时,速度对航行体的升力有重要影响(小于50m/s升力为负,大于60m/s升力为正);当空泡完全包裹航行体时,仅空化器头部沾湿,航行体上的零转矩点始终出现在前端x=1D(D为空化器直径)附近,当超空泡尾部界面与航行体相交时,航行体的零转矩位置发生改变;当航行体攻角为正时,转矩受水深的影响较小,当攻角为负时,转矩受水深影响明显。

针对水下高动态航行体运动特征难以识别的问题,提出一种基于水声测量的运动参数序列估计方法。该方法通过逐点解算得到位置、速度序列,再进行函数化重构和参数辨识,消除随机误差引起的数据抖动,实现平稳、连续的序贯参数获取。在仿真分析中,模拟了边长为数百米的海底四元阵对数十米深度垂向航行过程的测量,参数估计结果的垂向精度相对于逐点解算结果明显提升,位置和速度均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别减小27.8%和47.2%。经大样本计算,参数序列估计值趋近于真值,垂向位置和速度偏差分别为0.042m和0.056m/s。水池试验结果表明,物理模型的高动态航行参数估计结果与惯性传感器数据相吻合,垂向位置和速度RMSE分别为0.024m和0.141m/s。新方法可为水下高动态航行体运动性能检验提供准确、平滑、连续的参数估计结果,在海上测试中有一定工程应用前景。

为有效识别特种车辆作业人员视听通道负荷状态,在模拟驾驶环境中采集脑电信号,结合机器学习算法构建作业人员视听通道负荷识别模型。实验招募30名被试,通过提高场景复杂度和听觉N-back任务诱发作业人员产生视觉负荷状态与听觉负荷状态。实验结果表明:听觉负荷状态额叶δ、θ、α频段,颞叶δ、θ频段,枕叶θ频段,顶叶4个频段功率谱密度显著高于视觉负荷状态,并在θ与β频段下表现出更强的脑网络连接强度;θ频段脑区功率谱密度是视听通道负荷识别的最优特征,采用该特征的随机森林算法分类准确率可达95.68%。Shap加法解释分析显示,额叶对分类结果贡献最大。研究结果证明了脑电指标在视听通道负荷识别中的有效性,为自适应交互系统的建立提供了理论依据。

为提高智能汽车的避障能力,提出一种基于速度障碍模型的智能汽车轨迹规划控制方法。结合速度障碍法和障碍物膨胀法,建立智能汽车的速度障碍模型,将动态障碍物在速度空间中的运动不确定转化为位置不确定,实现安全裕度根据障碍物尺寸和相对速度自适应调整。为兼顾轨迹跟踪精度和行驶稳定性,根据汽车状态方程、模糊控制原理和模型预测控制原理设计智能汽车模糊模型预测控制器(Fuzzy Model Predictive Control,FMPC)。为验证该方法的有效性,采用仿真软件建立其仿真模型。仿真结果表明:对多个随机的静、动态障碍物均可实现避障,且在避障后快速平稳地跟踪参考轨迹。通过避障稳定性分析得出,目标车速为100km/h,其最大横向速度为4.01km/h,最大横摆角速度为20.8°/s,最大质心侧偏角为2.32°,满足汽车行驶稳定性要求,该方法有效提高了智能汽车的避障能力及其行驶稳定性。

由于高超声速滑翔飞行器无动力、轴向过载不可控的特点,高超声速滑翔飞行器编队机动飞行至滑翔段与末段的交班点时射向通常存在较大位置误差,对末段的协同打击精度造成显著影响。针对该问题,提出一种考虑射向位置调节的高超声速滑翔飞行器编队控制方法。面向二阶多智能体系统设计固定时间收敛一致性控制器。在此基础上设计欠驱动飞行器编队控制架构,围绕高超声速滑翔飞行器编队的欠驱动控制特征开展分析,设计射向调节策略,建立射向位置调节与附加侧向速度的关联;赋予飞行器编队射向调节能力的前提下建立三维人工势场,设计飞行器编队的避碰控制策略。理论分析和数值仿真表明,该方法可以支撑多个飞行器在编队散开、编队收缩、编队整体转向和高低编队飞行等场景中实现编队的形成与保持,在保证编队内部安全的前提下实现一致到达,为末段制导提供良好的交班条件。

为更好地保护人民的生命财产安全,针对目前依靠人力进行交通管理工作时统计不准确、反馈不及时等问题,提出一种适合部署在边缘终端设备上的基于YOLOv7-tiny算法改进的车辆目标检测算法。通过构造深度强力残差卷积块对主干网络的轻量级高效层聚合网络(Efficient Layer Aggregation Network-Tiny,ELAN-T)模块进行轻量化改进;通过削减分支,对特征融合网络的ELAN-T模块进行轻量化改进,降低网络的参数量和计算量,并对特征融合网络的结构进行重新构造;引入高效通道注意力机制和EIOU边界框损失函数提升算法的精度。在预处理后的UA-DETRAC数据集上实验,改进后的算法参数量相比于原始的YOLOv7-tiny算法降低了15.1%,计算量降低了5.3%,mAP@0.5提升了5.3个百分点。实验结果表明,改进后的算法不仅实现了轻量化,而且检测精度有所提升,适合部署在边缘终端设备上,完成对道路中车辆的检测任务。

大功率柴电机组是重型串联式混合动力车辆的供电单元,受多缸柴油机曲轴谐振转矩冲击和发电机电磁转矩脉动耦合作用的影响,系统扭转振动现象突出,动力学品质较差。针对上述问题,建立考虑机电耦合效应的发动机-发电机组动力学模型,分析机电耦合效应对系统固有特性的影响,揭示扭转振动特性随电磁刚度、转子偏心率、扭转减振器刚度等参数变化的规律,分析系统在发动机和电机联合激励作用下动力学响应特性,明确了主响应的阶次。为解决低频扭转振动响应过大的问题,提出基于双回路解耦的扭转振动控制总体框架,针对发动机主谐次扰动抑制设计面向启停机过程的独立模态空间最优控制器和面向稳态运行工况的自适应滤波补偿控制器,并进行仿真验证。研究结果表明,所设计的扭转振动主动控制算法能够在发动机全速域内实现对主谐次扭转振动的有效抑制。

针对水下航行器声导引回收方式中艇外搭载回收装置易受流噪声干扰、影响航行器声隐蔽性的问题,研究基于Lighthill声比拟理论,结合大涡模拟对艇外搭载式回收装置流噪声进行数值模拟,对比不同回收导向罩形状坞舱的声压级频谱及指向特性,分析航行器流域内不同位置的声压级变化情况。研究结果表明:外伸式回收装置是航行器辐射噪声的主要声源,相比无附体水下航行器最大声压级高约50dB,高声压级流噪声主要集中在中低频段;对于相同迎流截面积的回收坞舱,喇叭型导向罩相比于矩形型低约1.62dB;计算结果可为降低水下航行器回收过程中的流噪声,提高水下航行器回收效率及声隐蔽性,及相关设计提供理论基础。

稳定高精度的定位是实现地面无人车辆协同自主行驶的先决条件。激光同时定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)技术在缺少几何特征的走廊、隧道、沙漠等场景中难以实现精准定位。为此提出一种无人车蛙跳协同的激光SLAM退化校正方法。估计当前帧每个特征点的法向量,并提出一种激光SLAM退化检测算法,当检测到环境退化时,使用两个无人车之间的测距信息对激光SLAM进行退化校正,在位姿图中进一步优化定位结果,并在自主搭建的两个无人车平台上进行测试。研究结果表明,新方法与当前主流激光SLAM方法相比获得了更高的建图效果,证明了新方法能够显著提高激光SLAM在退化场景中的定位效果。

传统坦克双向稳定系统的控制策略难以有效处理新一代全电双向稳定系统中的耦合性、非线性和不确定性,而基于模型的非线性控制能够充分利用系统动态模型的先验信息提升控制效果。因此,建立计及执行器动态的全电双向稳定系统机电耦合动力学模型,提出一种基于神经网络补偿的非线性滑模控制方法。引入滑模面和基于双曲正切函数改进的滑模鲁棒控制律设计非线性滑模控制函数,以有效地消除系统振荡,提高系统的稳态性能。同时,深度融合多层神经网络,准确估计系统的不确定性并进行前馈补偿,避免高增益反馈。基于Lyapunov理论严格证明了新控制策略可以实现连续控制输入下坦克全电双向稳定系统的渐近稳定性能。搭建了联合仿真环境与半实物实验平台,通过大量对比实验验证了新控制策略的优越性。

润滑油在发动机中发挥作用时携带着大量关于发动机的状态信息,能够对发动机产生的故障进行表征,可利用其对发动机进行故障诊断。以某型装甲车辆发动机为研究对象,提出一种基于核线性判别和改进的蜣螂优化算法优化反向传播(Back Propagation,BP)神经网络的故障诊断方法。对获取的润滑油数据通过核线性判别分析进行降维处理,降维后的数据作为BP神经网络的输入,通过引入最优拉丁超立方、权重因子以及Levy飞行策略对蜣螂优化算法进行改进,进一步对BP神经网络的关键参数进行优化,建立故障诊断模型,实现对测试数据的故障预测。实验结果验证了新方法在进行故障诊断预测方面的有效性,为装甲车辆发动机的维护和修理提供了科学依据。

针对高超声速滑翔飞行器末制导段存在的动力学模型参数不确定性,以及传统强化学习算法收敛速度慢的问题,提出一种基于强化学习的自适应制导方法。将标称条件下的高超声速滑翔飞行器末制导问题转化为最优控制问题,并根据序列凸优化算法进行求解得到状态-控制对的数据集:基于监督学习对数据集进行拟合,得到相应的神经网络制导模型:引入气动参数偏差、控制响应延迟系数不确定性以及状态测量噪声等干扰,通过飞行器与当前环境的大量交互,基于强化学习进一步优化神经网络制导模型。数值仿真结果表明,新提出的制导方法与监督学习制导方法相比具有更好的鲁棒性与精确性。

车用高速机电复合传动系统(Electro-Mechanical Transmission,EMT)结构高紧凑、零部件高转速,导致系统机电耦合效应显著,易产生共振。针对串联式EMT系统进行机电耦合固有振动特性分析,推导系统的机电耦合固有振动模型,研究其固有频率及模态振型,基于各阶模态的振型特点,总结系统的6种典型振动模式。研究高速运行工况和机电磁耦合效应对系统固有频率和模态振型的影响,并基于坎贝尔图和模态能量法研究宽速域运行范围内系统的共振转速。研究结果表明,机电磁耦合效应改变了系统的低频振动特性,高速运行工况可显著改变系统的某些固有频率,在动力学建模中应对二者进行充分考虑,共振转速研究为系统动力学调控和优化提供了参考。

随着地面无人平台(Unmanned Ground Vehicles,UGVs)在复杂作业环境中的潜在应用和战略价值日益凸显,确保其自主行为的安全性变得至关重要。提出一种结合系统理论过程分析(System-Theoretic Process Analysis,STPA)和Bow-Tie模型的地面无人平台系统安全分析方法。围绕遥控操作地面无人平台系统安全,通过STPA方法识别UGV系统中的不安全控制行为及其潜在风险,并利用Bow-Tie模型分析从损失致因场景到可能事故后果的事件链,得到风险传播路径和风险扩散路径。最终,基于Bow-Tie分析结果确定主被动安全分级控制措施,并通过自主安全控制器实现了系统安全管理。

基于现役有人驾驶履带车辆进行无人化改造是无人履带车辆研制的有效技术途径之一。为实现某现役履带车辆无人化线控技术改造,设计车辆数据采集系统,以实现车辆状态数据与驾驶员操控数据的同步采集。依据人类驾驶员的操控数据,基于高斯混合模型对驾驶员转向操控行为进行聚类分析,并建立转向操控行为概率模型。基于不同转向类别,以车辆行驶速度和航向角偏差为模型输入,以静液马达摆臂转角为转向操控量预测真值,对驾驶员转向操控预测模型进行训练,实现对驾驶员转向操控行为准确预测,并在真实越野场景下进行验证。试验结果表明,所提转向操控预测模型可以准确地预测驾驶员转向操控。

滑移转向轮式车辆应用领域广泛,掌握驱动系统对车辆直驶、转向性能的影响是实现其正向设计的基础。针对全液压驱动滑移转向车辆设计分析需求,基于全液压驱动滑移转向车辆系统原理,建立液压驱动系统和车辆动力学系统耦合仿真模型,结合具体车辆参数,仿真分析车辆直驶和转向工况特性,得到车辆行驶过程中液压系统的动态响应特性,并通过实车验证模型的仿真结果。研究结果表明:道路阻力、车速和驾驶员操作等时变参数对直驶液压驱动系统压力影响较大,转向液压驱动系统压力与动态转向阻力强相关;耦合驱动的车辆仿真模型能够实现车辆运动状态与驱动系统状态的耦合仿真,可用于驱动系统特性和车辆动力学特性的耦合分析。

水面无人艇(Unmanned Surface Vehicles,USV)具有机动性好、隐蔽性强、活动范围广等优点,在侦查、反潜、搜救等任务中具有广阔的应用前景,而环境感知技术是USV执行任务的基础,受到广泛关注。对国外USV环境感知技术发展现状进行调研,通过具体案例对USV环境感知技术进行定义并剖析任务难点;结合USV使用的感知设备,从单模态感知和多模态感知两个角度具体分析USV感知技术研究现状;总结分析USV暂未解决的难点并对USV环境感知技术发展给予展望。

时间序列匹配技术广泛应用于车辆操纵一致性评价。针对某型教练车在协同驾驶过程中的动作匹配度评判问题,提出一种基于分段式动态时间弯曲距离的车辆油门操纵动作一致性评估方法。在有效解决教练车协同操控试验过程中样本数据点数量不一致问题的基础上,根据动态弯曲路径的斜率约束条件,将传统的动态时间弯曲距离(Dynamic Time Warping,DTW)矩形搜索区域通过改变路径搜索斜率方式转变为平行四边形搜索区域,以缩小搜索区域面积,从而极大程度地减小计算量。选取4组典型的油门动作曲线组进行50轮迭代实验进行验证,通过分段式DTW方法计算得到实车A、教练车B动作曲线之间的DTW距离矩阵,利用最小离差平方法对A、B两车动作进行聚类对象合并,从而完成油门动作数据的一致性评判。实验结果表明,改进后的动态时间弯曲算法在各油门动作的平均匹配精度可达89.2%,相较于单一的DTW算法提升约3.2%,平均匹配时间约为92.45s,降低约12.6%,从而验证了分段式DTW算法在油门动作一致性评判的可行性和优越性。

考虑行进间坦克炮控系统受路面颠簸引起的外界扰动和炮控系统工作时火炮俯仰运动不平衡力矩影响,基于第二类Lagrange方法建立行进间坦克炮控系统两轴耦合2自由度动力学模型。针对炮控系统的实际受力和运动状态,建立方位向和高低向驱动系统含有永磁同步电机以及传动机构分别含有齿轮减速箱与滚柱丝杠的行进间坦克炮控系统机电耦合动力学模型。为快速抑制行进间坦克炮控系统内外扰动对目标稳定跟踪的影响,基于非奇异快速终端滑模控制律和线性扩张状态观测器设计具有有限时间收敛特性的行进间坦克稳定跟踪控制器。根据行进间坦克炮控系统对目标的稳定跟踪过程计算炮控系统稳定精度和到位时间,并在不同工况下与传统控制方法进行对比。研究结果表明,新方法响应速度快、抗干扰能力强、稳定精度高,验证了控制器设计的有效性。

为了提升装备机动能力,基于摆动缸式油气悬挂装置,建立高压气动原理和背压可控的阻尼阀结构,实现刚度和阻尼特性的实时调节。基于单轮悬挂模型开展不同刚度控制方法的振动响应对比分析以及阻尼特性频域不动点推导,提出一种刚度有级调节控制策略和一种频域混合阻尼控制方法,通过单轮悬挂动力学模型验证所提控制方法的有效性,并构建高机动履带车辆动力学模型进行整车仿真分析。在康庄、羊八井、坨里实测路面环境下,采用刚度阻尼联合控制方法的悬挂装置相较于传统被动悬挂的越野速度提升了25%以上,验证了新提出特性控制方法对振动响应抑制的优越性,能够为悬挂装置实现弹性与阻尼双特性自适应调节提供支撑。