飞翼布局无人作战飞机自动着陆控制系统设计

飞翼飞机是一种先进的飞行结构.但由于气动外形的特殊,无垂直尾翼的飞翼飞机在着陆阶段,极易受到侧风的干扰,而使其偏离航线;根据飞翼飞机的气动参数,建立了飞翼飞机的非线性数学模型,设计了飞翼无人机的着陆轨迹和控制方案;针对飞翼飞机的特性,采用不同于常规飞机的控制律,设计了抗侧风自动着陆控制系统;设计的控制系统经过非线性仿真试验,结果显示,飞机抗侧风着陆性能达到了设计要求,从而验证了设计方案的可行性.     

四旋翼无人机飞行过程孪生仿真研究

为了满足无人机在实际飞行过程中的虚实交互、实时响应和精确控制等要求,以四旋翼无人机的飞行过程作为任务需求,提出基于数字孪生技术的四旋翼无人机飞行过程仿真研究。搭建了四旋翼无人机飞行数字孪生系统架构,分析了数字孪生体仿真数据的流向及其作用,并对四旋翼无人机飞行数字孪生系统的功能和意义进行了介绍。从几何、物理、行为和规则等四个方面融合构建了四旋翼无人机的数字孪生体模型。最后进行了四旋翼无人机巡航过程的案例研究,通过仿真案例中的各项参数分析,考察了虚实无人机之间的交互性,证明了数字孪生体模型的精确性,验证了四旋翼无人机飞行数字孪生系统的可行性。     

全数字通用飞行仿真平台的设计与实现

针对作战训练并验证先进飞行控制律,设计一种全数字通用飞行仿真平台。介绍该平台的总体结构,在建立飞机动力学模型和通用飞行仿真数据库的基础上,阐述各模块的功能和创建方法,以某型无人机为例,对平台进行仿真验证。结果表明,该平台直观性强,输出参数准确,能较好地模拟真实飞行。     

基于神经网络观测器的飞控传感器在线故障诊断

为提高无人机飞行安全可靠性,针对飞行控制系统中常出现的传感器故障以及非线性气动力模型参数难以确定的问题,提出了基于BP神经网络观测器估计的故障诊断方法;引用LM改进算法对网络参数进行调整,构造了神经网络观测器模型逼近非线性系统,并运用于飞行控制系统进行在线数字仿真,对垂直陀螺输出卡死故障、恒偏差故障和恒增益故障分别进行仿真分析;仿真结果表明,所设计神经网络观测器可以有效估计系统输出,在线诊断传感器故障。     

基于气动参数调节的无人机抗扰动控制算法

无人机飞行受到气动阻尼扰动,从而导致控制稳定性不好。当前采用翼型截面气动参数调节的方法进行无人机抗扰控制,以扭角以及振动方向等参数为约束指标,参数调节的模糊度较大,对气动姿态参数调节的稳定性不好。文中提出基于气动参数调节的无人机抗扰动控制算法。该算法根据无人机的飞行工况构建各阶模态对应的气弹耦合方程,在速度坐标系、体坐标系、弹道坐标系三维坐标系下构建无人机的飞行动力学和运动学模型;采用卡尔曼滤波方法实现对无人机飞行参数的融合调节和小扰动抑制处理,并采用末端位置参考模型进行无人机飞行轨迹的空间规划设计;在卡尔曼滤波预估模型中实现对动力学模型的线性化处理,采用气弹模态参数识别方法进行无人机的飞行扰动调节;将姿态控制作为内环,获得位置环状态反馈调节参数;以无人机的升力系数和扭力系数作为气动惯性参数进行飞行姿态的稳定性调节,从而实现无人机抗扰动控制律的优化设计。采集飞机的俯仰角、横滚角和航向角作为原始数据在Matlab中进行仿真分析,仿真结果表明,采用所提方法进行无人机抗扰动控制的稳定性较好,对气动参数进行在线估计的准确性较高,航向角误差降低12.4%,抗扰动能力提升8dB,收敛时间比传统方法缩短0.14 s,无人机飞行的抗扰动性和飞行稳定性得到提高。所提方法在无人机飞行控制中具有很好的应用价值。     

无人机六自由度飞行建模与仿真研究

鉴于无人机在军事和民用领域广泛的发展,用数字仿真的手段可以验证无人机在特定条件下是否达到了飞行品质的要求,进而进行半实物仿真,最后进行飞行试验。通过飞行仿真可以缩短无人机的研制周期,降低研制经费和风险。无人机六自由度飞行仿真建模研究对无人机系统的初期研究和后期模拟训练器的研制都起着重要的作用。课题组利用Simulink工具进行了无人机六自由度飞行建模仿真研究,所建立的无人机的六自由度空气动力学模型既可以进行纯数字的仿真试验,也可以为后续研制高逼真的无人机模拟训练器中无人机动力学模型设计打下基础。     

基于H∞回路成形的无人机纵向鲁棒控制器研究

针对无人机飞行参数及气动参数的不确定性问题,根据H∞理论,提出基于回路成形的无人机鲁棒控制器设计方法.以某小型无人机纵向控制系统为例,采用H∞回路成形设计方法,设计了俯仰角保持控制器;通过选取合适的预补偿器和后补偿器,改善系统奇异值曲线形状,应用小增益定理综合H∞鲁棒控制器,并得出鲁棒稳定裕度;进行数字仿真验证,在仿真中加入5 m/s常值风干扰与20％气动参数摄动等不确定性因素,结果表明,闭环系统能在受到干扰后1.1s恢复到平衡状态,且阶跃响应最大调节时间为1.6s,最大超调量为2.4％,说明所设计的控制器具有满意的抗干扰能力和鲁棒稳定性.     

基于气象无人机飞行角度的优化测风模型研究

在气象无人机现用测风模型的基础上,根据无人机飞行角度的不同,对测量总压、空速与地速的夹角进行了修正,提出了优化的测风模型。并给出了误差计算方法。仿真的不同结果表明:所提出的优化测风模型能有效解决飞行角度变化对测风精度的影响,为提高气象无人机测风精度提供了借鉴。     

无人机实时飞行仿真系统的时滞补偿方法

针对无人机半物理仿真系统的模拟运动滞后问题,在分析无人机模型和飞行仿真转台模型的基础上,提出一种新的飞行仿真系统构建方案.基于自适应逆控制和李亚普洛夫函数,设计了能够补偿运动滞后的数字控制器.将原始无人机模型与数字控制器进行联合计算,获取无人机修正模型的输出,完成了对仿真运动滞后的补偿.仿真结果说明了时滞补偿方案的有效性.     

基于网络的飞行传感器仿真系统研究

提出了一种基于TCP／IP协议的传感器仿真系统,模拟无人机实际飞行中各类传感器的信导和电气特性,解决了全数字无人机飞行仿真系统中对飞机传感器进行实时仿真的问题。     

菱形翼布局无人机自抗扰直接升力着陆控制

针对采用传统的着陆控制方法时,菱形翼布局无人机存在着陆俯仰姿态角为负,对无人机着陆不利的情况,提出一种采用直接升力进行着陆的控制方案,可以实现着陆轨迹与着陆姿态之间的解耦,使得无人机可以以较好的姿态进行着陆.采用自抗扰控制(ADRC)方法分别设计了无人机非线性直接升力控制律以及着陆轨迹跟踪控制律.仿真结果表明:采用ADRC设计的非线性直接升力控制律可以实现直接升力控制的3种模式,并且对气动参数摄动具有较强的鲁棒性;采用直接升力着陆控制方法可以使得无人机以有利的姿态进行着陆,同时在近地面突风作用下,无人机依然可以以较好的姿态进行着陆.     

动力伞伞翼阵风响应的数值模拟

采用有限体积法求解非定常Euler方程,并通过引入动态网格方法模拟阵风条件,对不同风速下水平和垂直阵风的伞翼气动力响应进行动态模拟与计算,针对动力伞伞翼柔性结构和飞行速度慢的特点,运用动态仿真方法求解阵风响应的附加气动力与力矩。结果表明:遇水平阵风时,伞翼气动力表现为多周期不同幅度的主动颤振运动;遇垂直阵风时,气动力响应基本与阵风速度变化趋势保持一致,最终稳定后气动力相对于阵风加载前变化不大。     

基于浸入—不变集的三旋翼无人机高度系统自适应控制器设计

针对三旋翼无人机的研究集中于数学模型分析、简单的控制算法设计等起步阶段,且高度系统空气阻尼系数未知的情况,研究了三旋翼无人机高度系统的控制问题。基于浸入—不变集方法设计了一种控制三旋翼无人机跟踪目标高度的自适应控制器,根据三旋翼无人机飞行运动特点,推导了三旋翼无人机运动数学模型,完成了控制器参数设计和气动参数选择,采用Lyapunov分析方法对所设计控制器的渐近稳定性进行了理论证明,并对未知空气阻尼系数进行了在线估计,最终在三旋翼无人机实验平台上在环仿真实验验证。实验结果表明,高度跟踪误差在0-6秒可较好地趋于收敛,控制阻尼系数估计值也较好地收敛于合理的范围,表明该算法稳态误差小,收敛速度快,具有较好的控制性能和较强的实用性。     

Stability analysis and design for aircraft gust alleviation control

This paper is concerned with the stability analysis and the development of an on-line two-level gust alleviation control system for a high-speed aircraft operating in an unknown environment. As is well known, such an aircraft experiences dynamic instability in its lateral motion when subjected to the longitudinal and lateral gusts. This is due to the phenomenon of lateral-longitudinal aerodynamic cross-coupling.In the first part of this paper the instability behaviour, in the presence of a longitudinal gust, of two typical high-speed aircraft is analyzed. From theoretical and simulation studies it is shown that for a sinusoidal gust, and for a given configuration, the instability region is a function of both the amplitude and frequency of the gust disturbance.In the second part of the paper, an on-line gust alleviation control system is synthesized for such an aircraft operating over a wide range of unknown environmental conditions. This control system employs a two-level control structure. The controller, however, does not require an explicit knowledge of the aircraft parameters or the environment. Typical simulation results are presented which verify the theoretical predictions.     

基于CFD方法的固定翼无人机着陆控制建模

为了实现固定翼无人机低速平稳着陆的目的,以某型无人机为例,阐述以计算流体动力学(CFD)方法求解固定翼无人机气动力系数的过程,即构建飞机几何模型、设定计算域并划分网格、基于非耦合隐式求解器求解在K-E湍流模型下各飞行状态的气动系数.提出以较大迎角低速滑翔降落的着陆控制方法,基于求解的气动特性,计算飞机降落前的理想状态,并基于状态反馈的纵向控制律实现着陆控制.在Simulink环境中,基于AeroSim工具箱构建仿真程序,验证了方法的有效性.     

Transition Flight Modeling of a Fixed-Wing VTOL UAV

This paper describes a complete six-degree-of-freedom nonlinear mathematical model of a tilt rotor unmanned aerial vehicle (UAV). The model is specifically tailored for the design of a hover to forward flight and forward flight to hover transition control system. In that respect, the model includes the aerodynamic effect of propeller-induced airstream which is a function of cruise speed, tilt angle and angle of attack. The cross-section area and output velocity of the propeller-induced airstream are calculated with momentum theory. The projected area on the UAV body that is affected by the propeller-induced airstream is specified and 2D aerodynamic analyses are performed for the airfoil profile of this region. Lookup-tables are generated and implemented in the nonlinear mathematical model. In addition, aerodynamic coefficients of the airframe are calculated by using CFD method and these data are embedded into the nonlinear model as a lookup-table form. In the transition flight regime, both aerodynamic and thrust forces act on the UAV body and the superimposed dynamics become very complex. Hence, it is important to define a method for hover-to-cruise and cruise-to-hover transitions. To this end, both transition scenarios are designed and a state-schedule is developed for flight velocity, angle of attack, and thrust levels of each of the thrust-propellers. This transition state schedule is used as a feedforward state for the flight control system. We present the simulation results of the transition control system and show the successful transition of TURAC in experiment.     

ITU Tailless UAV Design

Nowadays, mini Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are utilized in a wide range of reconnaissance and surveillance missions with an ever increasing need for endurance and range. Thus, a slight improvement on these two primary performance parameters is considered as a competitive advantage. In this work, a multi-functional tailless UAV concept and its design process is presented. In comparison to existing conventional UAV designs, the concept is shown to have superior aerodynamic and flight performance characteristics. In addition the detachable wing and body concept provides the much needed flexibility and multi-functionality for using the UAV for a range of operation concepts, in which each concept requires different payloads of distinct weight and size.     

一种无人机大机动飞行控制方法

研究了无人机进行大机动的控制问题,提出了一种传统动态逆控制方法的改进方法.在外环的气流角控制器中,通过引入加速度反馈,避免了传统方法的气动力估算环节,从而提高了对气动数据不准确的鲁棒性.在内环的角速率控制器中,使用基于LPV(linear parameter-varying)系统鲁棒PI控制方法,从理论上保证了整个机动飞行过程中的鲁棒性.仿真结果表明,提出的方法能够实现无人机纵向和横航向同时进行机动的控制,同时具有较好的控制性能.     

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。