临近空间太阳能飞翼无人机气动性能设计仿真

目前在进行临近空间太阳能无人机的设计时,通常采用常规布局,但常规布局的无人机在空气密度低的飞行环境中,速度小、动压小,气动性能较差,且常规布局飞机的表面不平整,不利于太阳能电池的大面积铺设。为此,特设计了一种飞翼布局的临近空间太阳能无人机,通过对翼型的气动仿真分析,优选出适合临近空间飞行环境、适用于飞翼无人机的反S型低雷诺数翼型,并采用翼梢外洗设计以改善无人机的稳定性,最后使用数值计算方法进行仿真计算,检验所设计飞翼无人机的气动性能。结果表明,根据数值方法仿真,所设计的临近空间太阳能飞翼布局无人机气动性能得到显著改善。     

飞翼布局无人机控制律设计

以某飞翼布局无人机为设计对象,进行内、外回路的控制律设计.在Matlab/Simulink仿真环境下,建立飞翼布局无人机线性小扰动模型,分析纵向、横航向模态特性,根据本体特性缺陷针对性地设计控制律内回路反馈支路及增益,经反馈补偿后的飞行品质满足GJB 185-1986相关要求.在内回路控制律的基础上设计外回路PI控制器实现飞机姿态控制,各控制回路的系统稳定裕度计算结果满足GJB 2191-1994要求.建立飞翼布局无人机六自由度非线性仿真模型,仿真验证结果表明所设计的内、外回路控制律能够精确控制飞机姿态且精度满足GJB 2191-1994要求,同时系统鲁棒性良好.     

一种双无人机协同跟踪地面移动目标方法

针对通信延时情况下双无人机协同跟踪地面移动目标问题进行研究, 构建了基于分布式遗传算法和滚动时域优化结合的目标跟踪航迹规划算法模型。考虑到通信延时会增加目标状态信息数据融合时的误差, 导致无人机跟踪任务效果变差, 结合递推最小二乘滤波和加权最小二乘估计设计了融合方法, 来融合处理目标状态信息; 考虑到无人机对目标的观测效果与未来时刻的目标状态信息密切相关, 采用递推最小二乘滤波预测目标的状态信息, 结合分布式遗传算法和滚动时域优化设计了双无人机目标跟踪航迹规划算法。适应度函数考虑了无人机和目标之间的距离、无人机之间的通信距离、无人机之间的通信角度。仿真结果表明：该协同跟踪方法能够较好地完成跟踪任务; 与一架无人机跟踪相比误差明显减小, 并且可以减小通信延时带来的跟踪误差。     

鲁棒控制在飞翼无人机控制律设计中的应用

与常规无人机相比,飞翼布局无人机有其特殊的操稳特性;为了保证飞翼布局无人机具有良好的操稳特性,飞行控制系统的控制性能和鲁棒性能要求更高;首先介绍了基于LMI的鲁棒H2/H∞控制理论,然后采用LMI工具箱设计了某型飞翼布局无人机纵向增稳控制系统的控制律,得到增稳后的无人机纵向模态特性,同时对升降舵操纵、风切变和测量噪声进行了动态特性仿真;结果表明,设计的控制律改善了飞机的动态特性,具有良好鲁棒性能和抑制外界干扰的能力.     

基于无人机基站的节能通信部署研究

为保证用户服务质量(Quality of Service, QoS),针对用户分布不均匀状态,解决无人机基站以最小发射功率覆盖相同数量用户问题,提出一种基于最小包围圆和K-means算法的无人机优化部署方法。利用贪心算法思想将部署问题解耦为垂直和水平放置问题,分别通过求解最优性确定无人机基站三维部署位置。利用聚类分析方法构建用户簇,采用最小包围圆思想对无人机基站水平位置进行优化;以最小化通信能耗为目标,建立无人机基站通信模型确定无人机最优飞行高度;联合两种优化方案确定三维部署位置。针对用户不同分布状态对无人机基站发射功率的仿真实验,验证了部署方法的有效性。     

飞翼无人机主轮差动刹车系统的建模与仿真

为了验证主轮差动刹车系统在飞翼布局无人机上应用的可行性,以某飞翼无人机为对象,在综合考虑了无人机的机体、起落架、轮胎等特性的基础上,建立了飞翼无人机地面滑跑仿真模型.它由无人机机体动力学模型、轮胎跑道间摩擦系数模型、轮胎跑道间结合力矩模型、机轮动力学模型、电液伺服阀模型以及刹车装置模型等组成.提出主轮刹车系统进行航迹纠偏控制的方案,并进行了仿真验证.仿真结果显示应用主轮差动刹车系统进行航迹纠偏控制是可行的.     

输入有约束时的飞翼布局无人机姿态控制

针对大展弦比飞翼布局无人机的刚体运动与弹性运动耦合动力学模型,研究了输入有约束时的无人机姿态控制问题,提出了一种采用扩张状态观测器的反步滑模控制方法.首先,采用扩张状态观测器实时估计气动弹性模态和外界未知干扰的影响,并引入跟踪微分器避免了控制律中项数膨胀问题.然后,针对飞翼布局无人机多操纵面的配置和输入约束,给出了基于LMI的在线舵面分配算法.最后,针对指令滤波和输入约束情况下控制指令的滞后问题,设计了辅助补偿器对控制指令进行补偿.根据Lyapunov稳定性理论证明了该控制方法能够保证姿态跟踪误差收敛至有界,仿真表明存在复合干扰和输入约束时该方法具有良好的姿态跟踪性能.     

改变飞机变体机翼优化方法与气动特性仿真

为使变翼型便携式小型无人机拥有低起飞速度和较高的巡航速度,快速到达目的地的同时能有效改善无人机以不同方式起飞的性能,采用B样条方法描述翼型形状,用XFOIL软件进行气动计算,用遗传算法进行迭代计算,对无人机的翼型形状进行优化设计,得到了一个可以由巡航阶段翼型简单变化而来的改善飞机起飞性能的翼型形状.采用CFD仿真软件对翼型升阻力特性进行分析,并获得了采用变体技术的飞机在巡航阶段翼型和起飞阶段翼型的气动参数.最后通过对变体无人机和非变体无人机以不同方式起飞的起飞轨迹的仿真计算、比较证明了采用变翼型技术的无人机在采用不同方式起飞时都能有效改善起飞性能.     

无尾飞翼式无人机飞行控制特性研究

依据高空长航时无尾飞翼式无人机的主要特点来分析飞机本体静稳定性以及高空巡航状态飞行时的动稳定性和操纵特性。用经典飞行动力学理论详细研究了无人机在16000m高空巡航状态的自然稳定性，并利用Matlab simulink对滚转-俯仰-偏航耦合运动的仿真来分析无尾飞翼式布局在纵、横航向上的耦合特性。基于以上的分析，采用主动控制技术设计纵向和横航向的控制律，阐述了无人机纵向定高爬升和横航向方位角控制时的操纵特性；并进行仿真分析，得到满意的结果，验证了采用主动控制技术可明显改善各项飞行品质要求。     

模型预测控制算法在飞翼无人机中的应用研究

针对某小型无尾飞翼布局无人机,运用CFD方法分析了该无人机的气动特性,计算了气动导数及操纵导数,建立了模型预测控制算法的仿真模型,并运用动态矩阵控制算法设计了飞行控制系统。仿真分析与试飞结果表明,在具有输入输出等约束条件下动态矩阵算法优势明显,具有一定的工程应用价值。     

伪逆法在无人机安全着陆控制中的应用

鉴于着陆控制律设计相对飞机普通模态控制律设计较复杂的情况,由于飞翼布局无人机着陆过程中出现左升降舵卡死。针对这一特定故障采用伪逆法进行了着陆控制律重构设计。充分利用伪逆法结构简单且无需改变原控制律的优点,在非线性建模中,由于飞翼布局无人机的特殊气动布局和结构特点,考虑了纵向与横侧向的耦合性。同时,利用Matlab/Simu-link仿真工具进行了线性仿真和非线性验证,仿真结果验证了无人机仍能够实现安全着陆,且重构设计方法简单有效。     

多无人机模糊多目标分布式地面目标协同追踪

针对城市环境中多约束条件下多无人机协同追踪地面目标问题,综合考虑具有不同重要性等级的多个优化目标,提出了一种基于分布式预测控制的模糊多目标航迹规划方法.首先,考虑城市环境中建筑物对无人机视线遮挡、无人机和传感器能量消耗等因素,分别采用目标覆盖度、控制输入代价和开关量形式传感器能耗等为目标函数,将多无人机协同追踪航迹规划转化为多目标优化问题;然后,基于分布式预测控制框架,利用每架无人机未来有限时域内的预测状态,构建多无人机之间的避碰约束,并结合最小转弯半径等约束,形成分布式协同航迹规划模型;最后,针对多个优化目标的不同重要性等级要求,利用模糊满意优化思想将目标模糊化,并根据更重要目标具有更重要满意度的原则,将优先等级表示为松弛满意度序,通过在线求解得到有限时域内每架无人机的局部航迹;与传统多目标加权算法仿真结果对比,验证了所提方法的有效性,充分说明了该方法能够获得同时满足目标优化和重要性等级要求的最优航迹.     

飞翼无人机着陆过程中的抗侧风控制研究

飞翼布局无人机的无尾布局给横侧向的稳定与控制带来困难,尤其是下降阶段有侧风时的航迹控制.带侧滑保持航向和带偏流保持航向是常用的两种抗侧风策略,为解决稳定性控制,研究了两种策略的优缺点,并针对两种控制策略分别设计了横航向抗侧风控制器.结合飞翼布局无人机的特点,在着陆过程中的不同阶段选择不同的抗侧风策略,在进场和下滑初始阶段采用带偏流保持航向方式,在下滑到一定高度时转为带侧滑保持航向的控制策略.仿真结果表明,选择的控制策略以及设计的控制器合理、可行,满足飞翼无人机着陆阶段的抗侧风要求.     

改进LQR技术的飞翼式无人机控制算法研究

针对飞翼式布局无人机存在纵向操稳性能差和易受阵风干扰问题,采用一种指令跟踪增广LQR方法设计了飞翼式无人机纵向姿态控制律,该方法将系统的输出误差和外界恒值阵风干扰信号引入到性能指标函数中,使设计出来的控制器不仅能保证飞行姿态的无静差跟踪,而且能有效抑制外界的阵风干扰。考虑到系统的迎角变量不易检测,结合降维观测器得到了一种准指令跟踪增广LQR方法,该方法不仅具有良好的鲁棒性和跟踪性,而且便于工程实现。最后利用获得的控制律对ICE飞翼式无人机进行仿真实验和对比分析,结果表明,采用改进后的LQR方法设计的控制器不仅改善了飞翼式无人机纵向模态的飞行品质,同时与输出反馈线性二次型跟踪方法和LQG/LTR方法相比,具有更好的控制性能。     

基于NSGA2与Fluent耦合的分析方法翼型优化

将分析方法引入飞行器气动优化设计,在Fluent软件中进行二次开发,编写了计算熵产率的UDF,来阐述分析方法在气动优化中的作用。以二维翼型为例,通过NURBS曲线进行翼型参数化建模,将NSGA2优化算法与CFD计算耦合起来,计算低雷诺数、5°攻角下的翼型升阻比和熵产率,得到最大升阻比和最小熵产率不断调和的翼型的Pareto解。结果显示,与基准翼型相比,在升阻比提高的条件下,流场熵产率减少,能量效率提高。而且优化翼型的熵产率随着升阻比的增加而增大。     

基于NSGA2与FIuent耦合的分析方法翼型优化

将分析方法引入飞行器气动优化设计,在FIuent软件中进行二次开发,编写了计算熵产率的UDF,来阐述分析方法在气动优化中的作用。以二维翼型为例,通过NURBS曲线进行翼型参数化建模,将NSGA2优化算法与CFD计算耦合起来,计算低雷诺数、5°攻角下的翼型升阻比和熵产率,得到最大升阻比和最小熵产率不断调和的翼型的Pareto解。结果显示,与基准翼型相比,在升阻比提高的条件下,流场熵产率减少,能量效率提高。而且优化翼型的熵产率随着升阻比的增加而增大。     

基于通信与观测联合优化的多无人机协同目标跟踪控制

为了提高目标跟踪任务的执行效能,提出一种基于通信与观测联合优化的多无人机协同运动目标跟踪控制方法.建立以信息成功传递概率描述的通信链路模型,采用扩展信息滤波实现目标状态融合估计与预测,使用Fisher信息矩阵对无人机观测所获取的信息进行表征.通过将信息成功传输概率引入到优化指标函数中,建立多无人机协同目标跟踪运动控制的滚动时域优化模型,实现通信与观测的联合优化,而这种联合优化体现在提高无人机与地面站之间信息成功传输概率与降低目标状态估计不确定性之间的折中.与不考虑通信优化的跟踪控制对比表明,所提方法可以提高跟踪过程中各架无人机与地面站之间的信息传输概率,使目标状态的全局融合估计结果更精确、更有效.     

基于三维测量的螺旋桨翼型数据获取与分析研究

为了在设计多旋翼无人机过程中,合理选择与设计电动机—螺旋桨动力系统,同时也达到系统优化设计的目的,基于逆向工程原理对某型螺旋桨进行三维测量,获得点云数据。提出了一种获得翼型精确攻角和弦长的方法,并对29个数据进行拟合得到攻角和弦长随距离的变化曲线。通过仿真得到了翼型的升力系数、阻力系数和转矩系数,为多旋翼无人机设计过程中与螺旋桨相关的数学计算提供了依据。     

飞翼式飞行器结构布局与构件尺寸的两级优化

为优化飞翼式飞行器的结构,提出同时考虑结构布局优化和构件尺寸优化的两级优化方法. 第1级优化将翼梁数量范围和位置范围作为约束,以重量最轻为优化目标,采用iSIGHT的多岛遗传算法优化结构布局;第2级优化给予第1级给定的结构布局方案,在满足应力约束和位移约束的前提下,确定各构件最佳尺寸,使该结构布局方案的结构重量最轻. 在第2级优化中,根据CAD外形模型和固定的结构布局参数,采用MSC Patran的PCL语言自动生成飞机的结构有限元模型,采用MSC Nastran优化全机结构,并将优化结果返回给第1级. 再通过两级之间的迭代获得结构布局和构件尺寸的最优设计方案. 整个两级优化过程用iSIGHT集成. 实例表明该方法为飞翼式飞行器结构布局和构件尺寸协同优化问题提供1种有效的解决办法.     

基于GA和FEM的夹具布局和变夹紧力优化设计

通过夹具布局和夹紧力大小的优化可以提高薄壁件加工精度．建立了夹具布局和变夹紧力分层优化模型．首先,以工件加工变形最小化和变形最均匀化为目标函数,对夹具布局进行优化设计;其次,基于优化的夹具布局对变夹紧力进行设计．采用有限元法计算工件的加工变形,加工变形求解时综合考虑了接触力、摩擦力、切削力、夹紧力和切屑的影响．采用遗传算法求解优化模型,获得优化的夹具布局和变夹紧力．通过实例分析,验证了分层优化设计方法可以进一步减小工件加工变形,提高加工变形均匀度．