北京航空航天大學(xué)2025年空天智能電推進(jìn)技術(shù)拔尖計(jì)劃?rùn)C(jī)器人工程試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解的物理意義及其在機(jī)器人控制中的應(yīng)用。以一個(gè)具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的平面機(jī)器人（R-R型）為例，推導(dǎo)其正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。二、闡述PID控制器的工作原理。分析PID參數(shù)（Kp,Ki,Kd）對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)（超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差）的影響。說(shuō)明如何為某個(gè)一階或二階系統(tǒng)整定PID參數(shù)。三、比較并說(shuō)明激光雷達(dá)（LiDAR）和視覺(jué)傳感器（如深度相機(jī)）在機(jī)器人環(huán)境感知中的優(yōu)缺點(diǎn)。在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中，如何融合這兩種傳感器的信息以提高機(jī)器人感知的準(zhǔn)確性和魯棒性？四、什么是電推進(jìn)（ElectricPropulsion）？與傳統(tǒng)的化學(xué)火箭推進(jìn)相比，電推進(jìn)有哪些顯著的優(yōu)缺點(diǎn)？簡(jiǎn)述霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的基本工作原理及其關(guān)鍵性能指標(biāo)。五、設(shè)想一個(gè)需要利用電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行軌道維持的航天器。請(qǐng)簡(jiǎn)述如何設(shè)計(jì)該電推進(jìn)系統(tǒng)的控制策略，以實(shí)現(xiàn)精確的軌道能量管理。需要考慮哪些關(guān)鍵因素？六、一個(gè)用于太空探索的機(jī)器人，其移動(dòng)平臺(tái)采用離子推進(jìn)器作為輔助動(dòng)力。請(qǐng)分析在深空、低重力環(huán)境下，使用離子推進(jìn)器進(jìn)行姿態(tài)控制可能遇到的挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的解決方案。七、結(jié)合機(jī)器人學(xué)和控制理論的知識(shí)，論述如何設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置控制器，使其在存在外部干擾和模型不確定性的情況下，仍能保持精確的位置跟蹤。八、電推進(jìn)系統(tǒng)的效率通常低于化學(xué)火箭。為了在航天任務(wù)中有效利用電推進(jìn)，可以采用哪些智能能源管理或功率控制策略？選擇其中一種策略，詳細(xì)說(shuō)明其工作原理和優(yōu)勢(shì)。九、描述一下將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于電推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的基本思路?？梢赃x用哪種具體的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，并說(shuō)明理由。十、設(shè)想一項(xiàng)未來(lái)航天任務(wù)，要求機(jī)器人需要在行星表面（例如火星）進(jìn)行長(zhǎng)距離探測(cè)，并利用電推進(jìn)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整和局部軌道機(jī)動(dòng)。請(qǐng)簡(jiǎn)述為此任務(wù)設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)具備哪些關(guān)鍵技術(shù)和功能，并說(shuō)明選擇電推進(jìn)作為其動(dòng)力系統(tǒng)的原因。試卷答案一、解析思路：首先分別解釋正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的定義。正運(yùn)動(dòng)學(xué)是根據(jù)關(guān)節(jié)角度計(jì)算末端執(zhí)行器位姿的問(wèn)題，其物理意義是將關(guān)節(jié)空間映射到笛卡爾空間，用于規(guī)劃?rùn)C(jī)器人末端軌跡。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)則是根據(jù)期望的末端位姿反解出所需的關(guān)節(jié)角度，其物理意義是控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)以到達(dá)目標(biāo)位置。在應(yīng)用上，正運(yùn)動(dòng)學(xué)用于路徑規(guī)劃，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)用于軌跡跟蹤控制。接著，以R-R平面機(jī)器人為例，通過(guò)幾何關(guān)系（如余弦定理、正弦定理）建立關(guān)節(jié)角與末端執(zhí)行器坐標(biāo)之間的方程組，推導(dǎo)出其正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。二、解析思路：先分別解釋比例（P）、積分（I）、微分（D）控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式及其作用。P控制器產(chǎn)生與誤差成正比的力量，用于提供基本控制作用和消除靜差。I控制器產(chǎn)生與誤差累積成正比的力量，用于消除穩(wěn)態(tài)誤差。D控制器產(chǎn)生與誤差變化率成正比的力量，用于抑制超調(diào)和提高系統(tǒng)阻尼。然后分析參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響：增大Kp通常減小穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)和振蕩；增大Ki能快速消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能使系統(tǒng)對(duì)噪聲更敏感；增大Kd能減小超調(diào)、縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但過(guò)大可能導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩。最后，以一階系統(tǒng)為例（如`dy/dt=-ay+b*u`），說(shuō)明通過(guò)選擇合適的Kp、Ki、Kd使系統(tǒng)滿足特定的性能指標(biāo)（如給定的時(shí)間常數(shù)或阻尼比），進(jìn)而進(jìn)行參數(shù)整定。三、解析思路：分別列出LiDAR和視覺(jué)傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。LiDAR優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可獲取精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；缺點(diǎn)是成本較高、在惡劣天氣（雨、雪、霧）下性能下降、對(duì)柔軟表面探測(cè)效果差。視覺(jué)傳感器優(yōu)點(diǎn)是信息豐富、成本相對(duì)較低、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；缺點(diǎn)是測(cè)距精度相對(duì)較低、易受光照條件影響、處理復(fù)雜度高、易受噪聲干擾。融合方法上，可以采用特征點(diǎn)匹配、掃描匹配、傳感器融合算法（如卡爾曼濾波、粒子濾波）等方法，將兩種傳感器的數(shù)據(jù)在特征層面或決策層面進(jìn)行融合，以結(jié)合LiDAR的精確測(cè)距和視覺(jué)的豐富紋理信息，提高整體感知的精度、魯棒性和環(huán)境適應(yīng)性。四、解析思路：先定義電推進(jìn)：利用電能直接或間接轉(zhuǎn)化為高動(dòng)能粒子流產(chǎn)生推力的推進(jìn)系統(tǒng)。比較優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)包括比沖高（燃料效率高）、推力可調(diào)范圍寬、壽命長(zhǎng)、維護(hù)需求低、能實(shí)現(xiàn)精確的軌道機(jī)動(dòng)；缺點(diǎn)包括比沖低于化學(xué)推進(jìn)、功率質(zhì)量比低、需要高效電源、對(duì)啟動(dòng)時(shí)間有要求?；魻栃?yīng)推進(jìn)器原理：利用強(qiáng)磁場(chǎng)和陰極發(fā)射的電子，在加速通道中通過(guò)霍爾電場(chǎng)將電子約束在特定區(qū)域，電子與中性氣體（如氙）碰撞電離產(chǎn)生離子，離子在電場(chǎng)作用下被加速形成高能離子束，產(chǎn)生推力。關(guān)鍵性能指標(biāo)：比沖（Isp）、推力（T）、比功率（Psp=T*v_e/m）、功率消耗（P）、壽命（N_h）。五、解析思路：電推進(jìn)進(jìn)行軌道維持實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行小幅度的軌道能量調(diào)整?？刂撇呗栽O(shè)計(jì)需考慮：1）推進(jìn)器工作模式選擇（如持續(xù)小推力或脈沖推力）；2）控制律設(shè)計(jì)（如基于當(dāng)前軌道元素和目標(biāo)軌道偏差的反饋控制律，或基于能量增量的控制律）；3）燃料消耗優(yōu)化（在滿足精度要求下最小化燃料消耗）。具體策略可以是：通過(guò)軌道動(dòng)力學(xué)計(jì)算當(dāng)前軌道與目標(biāo)軌道的能量差，控制電推進(jìn)器產(chǎn)生一個(gè)與速度方向相反的小推力，進(jìn)行能量耗散（降低軌道）或能量增加（提升軌道），閉環(huán)控制確保機(jī)器人精確維持在設(shè)計(jì)軌道上。關(guān)鍵因素包括推進(jìn)器性能、燃料容量、軌道攝動(dòng)（如太陽(yáng)光壓、引力梯度）。六、解析思路：挑戰(zhàn)分析：深空環(huán)境輻射干擾可能影響推進(jìn)器和控制系統(tǒng)電子元件；低重力環(huán)境下，推力相對(duì)于機(jī)器人質(zhì)量的影響更大，控制精度要求更高；離子推進(jìn)推力通常較小，對(duì)姿態(tài)敏感度更高；可能存在軌道不確定性和環(huán)境擾動(dòng)。解決方案：1）采用加固的電子元件和抗輻射設(shè)計(jì)；2）設(shè)計(jì)高帶寬、高精度的姿態(tài)控制系統(tǒng)，可能需要使用多個(gè)小型推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)反作用力矩控制；3）利用星敏感器、陀螺等高精度傳感器進(jìn)行敏感測(cè)量；4）開(kāi)發(fā)魯棒的控制算法，如自適應(yīng)控制、滑模控制，以應(yīng)對(duì)模型不確定性和外部干擾；5）考慮利用太陽(yáng)帆板產(chǎn)生的力矩輔助姿態(tài)控制。七、解析思路：設(shè)計(jì)位置控制器需考慮系統(tǒng)模型（如關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程`M(q)q''+C(q,q')q'+G(q)+F=Bu`）和控制目標(biāo)（精確跟蹤參考信號(hào)`r(t)`）?；痉椒ㄊ窃O(shè)計(jì)一個(gè)控制律`u=-K_pe-K_i\intedt-K_dq'`，其中`e=r-q`是位置誤差，`K_p`、`K_i`、`K_d`是增益矩陣。將此控制律代入動(dòng)力學(xué)方程，分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為應(yīng)對(duì)干擾和不確定性，可以：1）采用基于模型的控制方法，如LQR（線性二次調(diào)節(jié)器）或MPC（模型預(yù)測(cè)控制），將干擾和不確定性作為模型不確定性或外部擾動(dòng)納入考慮；2）采用無(wú)模型控制方法，如自適應(yīng)控制（在線調(diào)整參數(shù)以適應(yīng)不確定性）或魯棒控制（保證系統(tǒng)在不確定性范圍內(nèi)仍穩(wěn)定）；3）利用前饋控制補(bǔ)償可測(cè)量的干擾。八、解析思路：智能能源管理/功率控制策略旨在優(yōu)化電推進(jìn)系統(tǒng)在有限能源約束下的性能。策略包括：1）任務(wù)優(yōu)化功率分配：根據(jù)任務(wù)需求（如軌道機(jī)動(dòng)需要大功率，巡航需要小功率）和剩余燃料量，動(dòng)態(tài)調(diào)整分配給電推進(jìn)系統(tǒng)的功率；2）效率優(yōu)化控制：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電推進(jìn)系統(tǒng)效率（通常在特定電流密度下最高），調(diào)整工作點(diǎn)以接近最高效率，減少能量浪費(fèi)；3）智能休眠與喚醒：在不需要推進(jìn)時(shí)（如長(zhǎng)時(shí)間巡航），讓電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，按需喚醒進(jìn)行機(jī)動(dòng)或姿態(tài)調(diào)整；4）預(yù)測(cè)性控制：基于任務(wù)規(guī)劃和實(shí)時(shí)狀態(tài)，預(yù)測(cè)未來(lái)所需的推力變化，提前調(diào)整功率設(shè)置。選擇策略需考慮任務(wù)特性、推進(jìn)器類型和控制復(fù)雜度。例如，任務(wù)優(yōu)化功率分配和效率優(yōu)化控制是常見(jiàn)且有效的方法。九、解析思路：將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于電推進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的基本思路是：利用傳感器采集的電推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)（如電壓、電流、溫度、壓力、推力等），作為輸入特征，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型以識(shí)別系統(tǒng)正常運(yùn)行模式和異常模式。具體步驟包括：數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理（清洗、歸一化）、特征工程（提取能表征系統(tǒng)狀態(tài)的時(shí)域、頻域或時(shí)頻域特征）、模型選擇與訓(xùn)練（常用方法包括監(jiān)督學(xué)習(xí)如支持向量機(jī)（SVM）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）、隨機(jī)森林；無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)如聚類算法（K-Means）；或半監(jiān)督學(xué)習(xí)）、模型評(píng)估與驗(yàn)證。選擇哪種方法取決于數(shù)據(jù)的特性、問(wèn)題的類型（如分類、回歸、聚類）以及對(duì)模型可解釋性的要求。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)復(fù)雜的非線性關(guān)系，適用于復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷；SVM在特征空間劃分方面表現(xiàn)良好。十、解析思路：關(guān)鍵技術(shù)和功能設(shè)計(jì)需圍繞行星表面長(zhǎng)距離探測(cè)和電推進(jìn)應(yīng)用展開(kāi)。關(guān)鍵技術(shù)：1）高效率、長(zhǎng)壽命電推進(jìn)系統(tǒng)：滿足長(zhǎng)距離探測(cè)和姿態(tài)調(diào)整的功率和比沖需求；2）高精度導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制（GNC）系統(tǒng)：結(jié)合慣性導(dǎo)航、星敏感器、地形匹配等，實(shí)現(xiàn)精確的位姿確定和路徑跟蹤；3）自主感知與決策系統(tǒng)：利用視覺(jué)、LiDAR等傳感器進(jìn)行環(huán)境感知，結(jié)合AI進(jìn)行路徑規(guī)劃和障礙物規(guī)避；4）高效能源系統(tǒng)：大容量、高效率的太陽(yáng)能電