为了解决四旋翼飞行器轨迹跟踪中状态量收敛速度慢、易发散等问题, 提出了一种双环混合有限时间控制策略。根据Newton-Euler方程推导出四旋翼的动力学模型, 再根据时间尺度原理将其分为内外两个控制环。外环采用有限时间控制策略来加快三轴位置量与偏航角的收敛速度; 内环采用快速非奇异终端滑模控制技术来实现姿态角的快速收敛。搭建了四旋翼的虚拟样机, 在三维仿真环境下模拟其轨迹跟踪控制效果。由仿真结果可知: 与其他两种常见的控制器相比, 所设计的控制器的控制精度、鲁棒性以及跟踪效果均最好, 并且能较好地满足四旋翼轨迹跟踪控制的需求。

振动能量在自然界中广泛存在，利用智能材料收集振动能量为微电子系统供电是新能源领域的发展趋势。该文利用新型智能材料磁控形状记忆合金(MSMA)的逆效应研究设计了一种基于悬臂梁式的MSMA振动能量采集器，对采集器的各部分结构进行理论分析和系统设计，并建立了振动能量采集器的结构模型。利用ANSYS软件对磁场进行有限元分析，验证了磁场回路和磁感应强度满足采集振动能量的要求。在此基础上，研制了采集器样机，并通过搭建实验平台对采集器进行实验测试，结果表明，该悬臂梁式MSMA振动能量采集器具有较宽的振动能量采集频带，输出电压可达220 mV，为振动能量的收集利用提供了参考依据。

针对野外复杂路面对轮腿复合式移动平台的运动性能和越障性能的需求, 应用ADAMS软件建立了移动平台的简化虚拟样机模型, 并在各个关节处添加对应约束、驱动力以及扭杆弹簧, 并建立仿真环境。通过动力学仿真分析, 观察移动平台车轮及扭杆弹簧的加速度、垂向力以及位移变化等因素, 验证了该移动平台对野外复杂路面的适应能力以及越障能力。

针对空间曲柄摇杆机构的优点, 研究分析了将其应用到扑翼飞行器驱动机构上的可行性。基于传统图解法, 建立驱动机构的数学模型, 综合考虑安装方便和结构紧凑, 确定机构尺寸的大小。建立虚拟样机进行仿真分析, 验证理论设计的正确性。结果表明, 该结构可以作为扑翼飞行器的驱动机构。

根据水下环境主要监测要素的特征光谱分析了可采用的观测方法, 并給出对应的高光谱成像仪光学系统性能参数; 分别设计了望远镜和成像光谱系统并进行匹配, 望远镜以双高斯透射式系统为原型, 利用较少的光学材料种类完成像方远心优化; 成像光谱系统基于Dyson系统, 通过光程分析与透镜的添加实现了良好的光学性能, 并保证了工程的可实施性.最终设计系统在350~700 nm波段上实现了视场角为28°、F数为3、光谱分辨率为3.5 nm、系统空间分辨率为1 mrad的良好光学性能, 设计搭建的原理样机性能测试验证了设计理论的正确性.

提出了一种通过驱动副锁定组合实现变胞的超冗余并联机械臂, 其基础构型是3-PUPS并联机构, 对机械臂进行了误差建模与分析, 并通过标定系统测量了机械臂实验样机的定位误差。首先, 提出了通过对3-PUPS机构各驱动副的组合锁定实现机械臂变胞的设计思路, 从而使机械臂可以根据任务需求改变自身构型和性能; 然后, 采用含误差源的闭环矢量回路法, 建立了机械臂3-PUPS机构的误差传递模型, 并以此为基础, 分析了机械臂的各误差源对其运动平台输出误差的影响规律; 接着, 根据各误差源对机械臂的输出误差影响程度, 确定了各主要运动副配合零件的加工精度等级及公差, 在此基础上研制出机械臂的实验样机; 最后, 采用一套高精度的工业机器人标定系统对机械臂的实验样机进行了定位误差测量, 实验表明: 机械臂的运动平台的位置误差均在0.005~0.038 mm之间, 姿态误差均在0.010~0044°之间, 位置误差比通用式工业机器人的位置重复定位精度0.05 mm略有提高, 姿态误差与通用式工业机器人的姿态重复定位精度0.045°相当。

深海热液环境中存在着巨大的化学和热梯度, 快速剧烈的混合和生物合作过程产生了多种多样的矿物合作过程, 并培养了大量的化学合成微生物。激光拉曼光谱非常适合于深海热液环境矿物过程的探测, 然而要对矿物与微生物作用过程进行研究, 还需要与荧光光谱技术进行联合。针对深海热液的探测需求, 研发了一套拉曼-荧光联合光谱水下原位探测原理样机。该联合系统主要通过双波长激光器和两个微型光谱仪实现, 双波长激光器同时发射266 nm和532 nm激光, 其中532 nm激光用来激发拉曼光谱, 266 nm激光用来激发荧光光谱。根据波长不同, 双波长激光被分为两束分别经两片石英玻璃窗口照射到海水或液体样品上。产生的拉曼和荧光光谱经后向散射收集并分别耦合到拉曼和荧光光谱仪中。整个系统集成于L790 mm×Φ270 mm的舱体内, 在舱体前端有光学窗口和水密插头, 舱体内部主要包括双波长激光器、光谱仪、嵌入式计算机和供电装置, 甲板控制终端通过电缆实现对系统的供电、控制和数据采集。利用搭建的原理样机在实验室对海水和拟棱形藻样品进行探测, 实验结果初步证明拉曼-荧光联合光谱探测装置的可行性, 之后系统在青岛近岸进行了实验并获得了实验数据。下一步将优化系统并应用于深海热液环境探测。

巨型科学可控反射镜(GSSM)缩比模型(GSSMP)的子孔径拼接误差的分析可以指导GSSM的面形检测工作.GSSMP子孔径拼误差包括子孔径刚体位移误差以及中频扰动.对子孔径刚体位移误差而言, 合理的靶标布置以及最小二乘算法的使用, 可将误差量级降低到计算机可分辨的最低程度, 即不引入算法误差; 同时也降低了对测试执行部件的精度要求.对中频扰动误差而言, 可结合标准平面镜与干涉仪对实验环境中大气湍流的影响进行估计.除此之外, 对子孔径拼接顺序带来的误差进行分析.最后, 基于三十米望远镜的面形评价方法, 即斜率均方根对上述误差进行换算表征.算法修正后, 子孔径对准误差为 10－6 μrad、子孔径平移误差为10－6 μrad、子孔径倾斜误差为10－6 μrad以及大气扰动误差为0.04 μrad.利用信噪比来表征拼接顺序所带来的影响, 使用一个子孔径作为基准进行拼接的情况下, 拼接顺序带来的影响小于2%.本文的拼接算法, 可以在较低的机械精度下, 利用靶标对准与合理的拼接顺序, 达到较高的拼接精度.

针对各种复杂、极端热环境下的表面热流密度测量难题,提出了一种基于红外热成像技术的表面热流密度分布测量方法。热流测量借助贴敷在被测物体表面的特制信标,从红外热图中计算获得各项测量参数。其结合了接触式测量与非接触式测量的优点,区别于传统单点测量可以一次性完成二维覆盖测量,保证测量精度的同时适用于更广泛的工程环境,具有很大的工程及生产实践意义。研究中先后从系统构建、原理分析及数值仿真的角度入手,得到测量的理论误差小于2%,证明了基于红外热图技术的热流密度分布测量方法的可行性与正确性。

基于滑模变结构算法研究了小卫星微动量轮的精确控制。在系统整体控制框架的基础上,对微动量轮动力学模型进行了分析;结合理想模型引入纹波电压、摩擦系数不确定性、扰动力矩等干扰因素,完善了微动量轮动力学模型。设计了等效滑模变结构控制算法,并对控制率参数进行了仿真优化。通过MATLAB仿真,对比分析了滑模变结构控制和常规PI控制在转速控制和力矩控制两种模式下的特性。最后,实验设计了微动量轮样机。仿真结果表明: 基于滑模变结构控制的微动量轮转速控制精度达到±0.5 r/min,从0加速到2 000 r/min的时间为18 s,均明显优于PI控制。实验结果表明: 利用滑模变结构控制的微动量轮转速控制精度达到±0.9 r/min,从0加速到2 000 r/min的时间为26 s。上述结果显示: 利用滑模变结构控制算法可以有效克服微动量轮控制中的干扰因素,提高转速控制精度和输出力矩稳定度,缩短转速变化响应时间。