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期刊信息/Journal information
工程科学学报
北京科技大学
工程科学学报

北京科技大学

徐金梧

月刊

2095-9389

xuebaozr@ustb.edu.cn

010-62332875

100083

北京海淀区学院路30号

工程科学学报/Journal Chinese Journal of EngineeringCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊是由教育部主管、北京科技大学主办的学术类科技期刊。国内外公开发行，主要刊载矿业与环境工程、冶金工程、材料科学与工程、机械工程等与冶金工业相关的学科领域的最新研究成果，为中文核心期刊（冶金工业类）及中国科技论文统计源期刊。目前，已经被EI、CA、MA、《剑桥科学文摘社网站》、俄罗斯《文摘杂志》、德国《数学文摘》等国内外著名检索刊物或数据库列为收录源期刊，先后荣获首届国家期刊奖、中国期刊方阵“双高期刊”、第二、三届国家期刊奖百种重点期刊等多项大奖。
正式出版
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    无人集群系统深度强化学习控制研究进展

    梁鸿涛王耀南华和安钟杭...
    1521-1534页
    查看更多>>摘要：随着无人集群在物流运输、农业管理、军事行动等场景的试验和应用,其面临的作业环境和任务内容日趋复杂,亟需设计效率更高、泛化能力更强、适应性更好的控制算法.将人工智能引入到无人集群系统控制的研究中,能够大幅提升现有无人集群的能力,完成复杂的作业任务.深度强化学习具有深度学习和强化学习的优点,无人集群系统深度强化学习控制研究受到了国内外科研人员的广泛关注,涌现出许多标志性成果.本文将从原理、特点等方面阐述深度强化学习概念,深入分析深度强化学习的多种典型算法,并讨论无人机集群的各类控制需求,进而介绍深度强化学习在无人机集群控制领域的典型研究成果,最后针对该领域研究成果的落地转化总结了应用前景和面临的挑战.

    无人集群集群控制深度强化学习多智能体人工智能集群智能

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    基于事件触发队形优化的多四旋翼无人机协同吊挂运输系统控制

    花翔宇陈谋雍可南刘伟...
    1535-1543页
    查看更多>>摘要：无人机吊挂运输系统控制是近年无人机飞行控制方法与工程应用的热点研究之一.本文提出了一种基于事件触发队形优化的多四旋翼吊挂运输系统控制方法,在实现负载运输的同时,通过动态调整无人机集群队形降低无人机功耗.根据负载的期望受力,通过构建优化算法滚动求解四旋翼集群当前时刻下的最优队形,并利用事件触发机制降低优化问题求解计算量.进而,采用反步法设计协同飞行控制律,并通过李雅普诺夫方法证明了闭环系统的稳定性,以及有限时间内事件触发次数的有界性.最后,通过数值仿真验证了所提出控制方法的有效性.

    协同吊挂运输系统队形优化事件触发四旋翼飞行控制

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    面向扑翼飞行机器人的电子稳像算法设计

    刘胜南付强冯楠张春华...
    1544-1553页
    查看更多>>摘要：在扑翼飞行机器人的飞行过程中,由于其特有的驱动方式,机身存在周期性的俯仰和滚转运动,导致航拍视频出现抖动,影响成像效果的清晰度和稳定性.为了解决这一问题,本文提出了一种基于ORB和滑动均值滤波的电子稳像算法,用于在线消抖处理.首先,针对扑翼飞行机器人航拍图像的抖动周期与机翼扑动周期相一致的特性,设计了一种估计算法来根据图像特征估计机翼扑动周期.这一算法能够更准确地捕捉到抖动的周期性特征,为后续的稳像处理提供了重要参数.其次,提出了一种与扑动周期相关联的运动滤波算法,能够根据不同飞行工况对滤波参数自适应地进行动态调整.本文提出的算法优点在于能够根据扑翼飞行机器人实际飞行情况实时调整参数,从而更好地适应不同的飞行工况,进一步提高了稳像效果.最后,为了验证算法的可行性和稳定性,将视觉成像装置搭载在扑翼飞行机器人上进行了飞行实验.实验结果表明,相较于常用的电子稳像算法,本文所设计的算法在扑翼飞行机器人中表现出更好的稳像效果.最后,总结了本文所提出的算法优点,并对未来研究方向做出了展望.

    扑翼飞行机器人电子稳像算法ORB算法滑动均值滤波扑动周期

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    带有时间约束的多飞行器协同轨迹规划

    张钰清陈长风张扬于江龙...
    1554-1564页
    查看更多>>摘要：面向多个高超声速飞行器在指定时间到达指定区域的场景,本文提出了一种带有时间约束的多飞行器协同轨迹规划方法.首先,通过解决飞行器再入飞行时间与横向机动之间的耦合问题,基于二元牛顿迭代法设计了一种考虑飞行时间约束和航程约束的纵向轨迹规划方法.然后,在横向平面内基于一种边界可调式的航向角偏差走廊实现了飞行器的横向机动,同时,设计了一种补偿更新策略不断迭代直至得到满足飞行时间约束的三维轨迹.在此基础上,分析了飞行器的飞行能力并给出了一种飞行器的协同飞行时间、终端高度和飞行航程的确定方法.最后,通过多飞行器协同飞行的仿真结果表明,本文的方法能够得到多飞行器满足飞行时间和终端约束的三维轨迹,并具有良好的计算精度.同时,蒙特卡洛仿真表明该协同轨迹规划方法对各项扰动具有较强的鲁棒性.

    高超声速飞行器时间协同轨迹规划三维轨迹飞行能力

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    无人机集群对地攻击时空协同控制策略

    黄振尹航童颖裔张博洋...
    1565-1573页
    查看更多>>摘要：针对三维战场环境下无人机集群协同对地打击问题,提出了一种基于预设时间收敛的无人机集群时空协同控制方法.首先,对无人机集群对地攻击任务场景及其相关要素进行了分析,并建立了无人机集群、地面运动目标和攻击问题模型.在问题建模的基础上,考虑无人机集群的时空协同策略,设计三维空间无人机集群对地攻击的时空协同控制律.所提出的时空协同控制律能够控制无人机集群在指定的时间内到达期望的攻击位置,实现对地面运动目标的时空协同攻击.通过基于李雅普诺夫函数的理论分析,证明了所提出的控制律能够在预设时间条件下使攻击位置误差变量渐进稳定.仿真结果表明,在地面运动目标转弯运动的情况下,所提出的协同控制律能够实现无人机集群的时空协同,在指定的时间内完成对地面运动目标的多角度协同攻击.

    无人机集群对地攻击时空协同地面运动目标预设时间

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    带有非均质刚柔耦合翼的无人机边界控制

    付云肖澳刘备余运俊...
    1574-1581页
    查看更多>>摘要：随着无人机技术的快速发展及工程应用需求的不断增长,具有隐蔽性好、快速灵活及经济性能好等许多优点的扑翼无人机在国民经济生活中发挥着越来越重要的作用.然而,受无人机使用环境限制及自身快速机动运行的特点,扑翼无人机的机翼通常存在连续高频振动,这些不理想的振动会影响系统的稳定性及无人机使用寿命.因此,本文研究带有刚柔耦合翼的扑翼无人机的振动抑制及姿态控制问题.首先,考虑外部干扰对扑翼无人机系统的影响,运用哈密顿原理,将由均质刚性连杆链接非均质柔性连杆组成的扑翼系统建模为无穷维分布参数系统.随后,基于反步法,设计两个边界控制律来镇定系统.运用鲁棒控制策略,构建辅助输入信号及干扰自适应律来抵消外部干扰的影响.通过在无人机本体及刚柔耦合翼的链接处布置传感器及执行器来抵消柔性翼的振动并调节刚性翼及柔性翼的姿态至期望角位置.其后,运用李雅普诺夫稳定性理论严格证明了闭环系统的一致有界稳定性.最后,开展数值仿真实验来证明所设计控制方案的可行性及控制效果.

    刚柔耦合翼分布参数系统振动抑制姿态控制干扰抑制

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    蝴蝶飞行机理及仿蝴蝶扑翼飞行器研究进展综述

    张益鑫李少石王兴坚王少萍...
    1582-1593页
    查看更多>>摘要：仿生扑翼飞行器具有高机动性、高隐蔽性以及高效率等突出优势,在军事侦查、探险搜救等领域具有较好的应用前景,而其应用的基础是对生物飞行机理的深入探究.随着先进运动观测和实验技术的引入,对昆虫飞行行为的记录和分析更为便捷和准确.研究表明常见的昆虫拍打频率较高,在25～400 Hz之间,而蝴蝶较为特殊,其扑打频率较低,大约为10 Hz,对于蝴蝶的许多独特的飞行技能尚缺少足够的认识.蝴蝶前翼和后翼的翼面积都较大,身体同侧的前后翼几乎为同步拍打,且扑打幅度较大,甚至接近180°.蝴蝶飞行中身体有较大幅度的上下和俯仰震荡,翼和身体运动高度耦合.即便如此,蝴蝶仍具有敏捷的飞行能力,可以达到点对点的飞行目标,甚至上千公里的长途迁徙,是优秀的仿生学研究对象.因此,蝴蝶启发的仿生扑翼飞行器也得到了全世界研究人员的关注.蝴蝶的飞行机制相对于其他昆虫更加特殊,飞行行为和气动特性更为复杂,这使得仿蝴蝶扑翼飞行器的研制更加困难.目前对于仿蝴蝶飞行器的研制大多数对蝴蝶翼-身耦合的机理进行了简化,很少能实现受控的稳定飞行.最后,本文梳理了真实蝴蝶的飞行行为特点和飞行机理,指出了仿蝴蝶扑翼飞行器研制的关键技术,总结了该类飞行器未来的发展方向和应用前景.

    蝴蝶飞行机理仿生机器人扑翼飞行器气动特性翼-身耦合飞行控制

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    新型仿鳐鱼水陆两栖机器人的结构设计、运动学建模与运动规划

    王雪兵吴庆祥王奕轩邬雅轩...
    1594-1603页
    查看更多>>摘要：跨介质作业机器人在灾害救援、环境探测、军事侦查等方面具有显著优势,但现有水陆两栖机器人依赖于两套或多套驱动系统,结构复杂、维护成本高,且额外的驱动系统切换将增加控制难度与作业时间.为此,本文设计了一种新型的行波驱动仿鳐鱼水陆两栖机器人(Wave-inspired actuated ray-inspired amphibious robot,WARAR).首先,设计了一种具有高越障能力的行波驱动机构.基于此,设计了一种仿鳐鱼柔性鳍,将行波机构驱动力转换为水中游动的推进力,从而实现单一驱动系统同时满足陆地和水中运动的双重目标.随后,建立了WARAR的运动学模型,并提出了一种跨水陆介质轨迹规划方法.最后,自主搭建了WARAR的实验平台,并对所设计机器人的移动、爬坡、转向、游动等性能进行了充分测试.此外,验证了所设计跨水陆介质作业轨迹规划方法的有效性.

    仿鳐鱼机器人水陆两栖机器人行波驱动机构仿鳐鱼柔性鳍轨迹规划

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    动态事件触发下的一阶非线性多智能体系统设定时间一致性

    石井龙刘志杰郭皓晨刘剑...
    1604-1612页
    查看更多>>摘要：为了保证多智能体系统收敛速度快的同时节约通信资源,针对一阶非线性多智能体系统提出了动态事件触发设定时间一致性算法.相较于传统的有限时间和固定时间控制算法,设定时间控制算法引入时变函数,可以保证系统在任意预设时间内均可达到一致性.同时,设定时间控制算法的收敛时间上界不依赖于系统初始状态、拓扑结构和控制参数,可以根据用户需求任意提前设置.故设定时间控制算法解决了计算冗杂的问题,同时可以保证控制精度.为了进一步减少触发次数,在现有的静态事件触发控制算法的基础上引入新的动态变量,进而设计出动态事件触发算法.动态变量随时间改变,可以降低触发次数,从而减少控制器更新频率和执行机构的磨损程度.鉴于非线性系统广泛存在于实际应用场景中,基于非线性系统设计的控制算法更具有一般性.最后,通过数值仿真验证动态事件触发设定时间一致性算法的有效性.综上,本文所提出的动态事件触发设定时间一致性算法可以保证一阶非线性系统在任意设定时间内实现一致性,并且减少触发次数,更可能应用于实际工程.

    设定时间一致性动态事件触发控制非线性动力学时变函数多智能体系统

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    基于深度学习的高超声速飞行器执行器零样本故障辨识

    曹芳菲朱怀石杜长坤路平立...
    1613-1622页
    查看更多>>摘要：近年来,基于深度学习的故障诊断已经通过大量数据进行了深入的研究.然而,深度学习技术的巨大成功是基于可以获取大量带标签的训练样本的假设.在实际问题中,经常面临数据不平衡、标记的数据太少或没有数据的情况.基于此,本文研究了高超声速飞行器在零样本情况下的故障辨识问题.考虑飞控系统执行器故障,运用深度学习技术来识别特定故障类型(失效故障或卡死故障)."零样本"指的是在故障诊断的深度学习模型构建中,未曾包含或引入任何与目标故障相关的样本数据.因此,该模型必须依赖于其他方法和特征来推断和准确识别这些未知故障,以实现有效的故障辨识.针对这一问题,使用人工定义的故障描述来表征未知故障.具体而言,即利用关系网络学习将已知故障样本与定义的未知故障描述进行比较.进一步,为实现特征提取,结合卷积神经网络及长短期记忆神经网络,构建深度神经网络结构.最后,在Winged-cone(翼椎体)构型的高超声速飞行器上进行零样本故障辨识实验,结果表明在没有目标故障样本的情况下,所设计的算法可以完成对目标故障的诊断工作.

    高超声速飞行器故障识别执行器故障零样本关系网络

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