平流层飞艇热性能分析软件开发

为减少平流层飞艇的设计周期和设计试验经费,清晰准确地反映出平流层飞艇空间轨迹和温度场分布以及各种不同因素对轨迹和温度场分布的影响,自主开发了平流层飞艇热性能分析软件.通过建立平流层飞艇运动和热特性模型,利用VC++编程环境,对平流层飞艇在不同输入状态下的上升、浮空、下降过程中的轨迹和温度进行数值仿真,并利用图形显示界面进行显示.软件设计包括参数输入、中间计算和性能分析三个部分.软件将输出结果存储到ACCESS数据库中,增强了数据的可读性和交互性.从软件的运行结果反映出该软件涵盖面广、数据可靠、操作方便、界面生动等特点,达到预期设计目标.     

平流层飞艇蒙皮强度建模与仿真研究

关于飞艇蒙皮强度优化设计问题,平流层飞艇体积巨大,而蒙皮厚度远小于飞艇长度,结构在受载情况下容易发生较大变形甚至破坏。为了给飞艇蒙皮强度设计提供依据,建立了飞艇蒙皮在只受内外压差载荷作用下的环向和轴向应力方程,用Von Mises应力来定量描述蒙皮在环向和轴向应力作用下的整体受力情况。然后建立了飞艇蒙皮的计算模型,通过在ANSYS中进行非线性仿真分析得到蒙皮各点的受力情况,并将理论应力值与有限元仿真结果进行了对比,结果验证了理论方程的有效性,为飞艇蒙皮的应力估算提供参考。     

飞艇扰动特性的分析方法研究

目前,研究大气扰动对飞艇的影响,广泛使用简化大气扰动模型,又称工程化模型.以大气紊流为特例,分析了其对飞艇性能的影响.首先,给出了大气紊流的基本情况,包括其频谱特性、扰动特性、尺度和强度,给出了其仿真模型.并给出风场干扰飞艇的模型情况,分别在线性化和非线性化模型上加入大气紊流,进行仿真分析.通过仿真结果,研究了其对飞艇...     

低空飞艇地面监控系统设计与实现

以某低空实验飞艇项目为背景,基于LabWindows/CVI设计并实现了低空飞艇地面监控系统的上层软件,对底层串口通信程序、飞艇遥控操纵杆程序以及飞艇实时状态数据库连接等几个关键问题进行了详细设计。该地面监控系统经过长期运行表明该监控软件运行稳定,功能完备实用,具有较高的工程应用价值。     

基于ZigBee的艇载无线传感器网络设计与实现

为减少飞艇上部署的线缆数量,提高飞艇的载荷能力,增加飞艇上数据传输的灵活性。对基于ZigBee的短距离无线通信技术进行研究,提出了在大型飞艇中运用ZigBee技术组成无线传感器网络,对分布在飞艇上的传感器采集到的数据进行无线传输。设计适合飞艇使用的ZigBee硬件电路,并通过软件仿真和实际侧量,验证网络链路的通畅,保证数据的可靠传输。从而验证了在飞艇上运用Zigbee无线传感器网络采集并传输数据具有可行性。为飞艇上数据的传输提供了新的方法和思路。     

飞艇迎风控制器的设计

引用基于飞艇的动力学和运动学建立的飞艇姿态数学模型,在飞艇的扰动运动参数相对于基准运动参数偏离较小的情况下,采用小扰动法对该模型进行了线性化,然后在飞艇的外形和质量分布相对于纵向平面是对称和不考虑动力装置转动部件的陀螺效应的假设下,根据控制量的不同分别得到了纵向运动和横向运动的解耦方程。在该模型的基础上,加入PID控制来改善飞艇的动态响应特性,在考虑风速风向变化的情况下,依据自适应控制设计了飞艇的迎风控制器。仿真结果表明,飞艇的偏航角在风速风向的变化下能有效地跟随输入信号的变化,对完成飞艇定点监测森林火灾或飞艇作为定点通讯中继站等任务具有一定的实际应用意义。     

平流层飞艇平台建模与仿真分析

目前,平流层飞艇平台有着极高的经济和军事价值,受到极大关注.以驻守在高空的平流层飞艇平台为研究对象,描述了飞艇的结构和运动形式,采用机理分析法分析其受力情况,在以体积中心为原点的机体坐标系中建立飞艇的六自由度模型.考虑飞艇平台的附加质量,建立非线性六自由度方程.采用小扰动法,对建立的非线性六自由度微分方程线性化,根据设定的初始状态,利用Matlab/Simulink搭建飞艇模型的仿真模块,对模型进行仿真.仿真结果表明:单纯调节一个控制量不能使飞艇稳定,只有联合考虑各输入量才能较好地控制飞艇状态;建立的飞艇模型是恰当的,可以作为浮空飞行器验证模型.     

一种应急救灾飞艇部署与规划方法研究

飞艇具有高分辨、大覆盖、可定点观测及可快速部署等特点。开展应急救灾飞艇快速部署与规划研究能够减少灾害现场监测盲目性,提升救灾科学决策能力,是任务规划领域研究的热点问题之一。提出了一种应急救灾飞艇快速部署与规划新方法,综合考虑飞艇部署与规划问题,建立了基于信息熵的飞艇最优化部署模型,并在此基础上,提出了一种最大执行任务的约束满足任务规划算法,引入相容性矩阵和遗传算法,开展算法求解,降低规划复杂度。最后通过仿真实验,验证了所提方法的有效性。     

基于神经网络学习的飞艇飞行速度控制仿真

为了有效地控制智能飞艇的飞行速度,设计一种基于智能学习的飞艇飞行速度控制系统。凭借飞艇飞行速度的数学物理模型,选取一个控制速度的参照模型,同时采用神经网络的自主学习特性来实现自适应动态逆控制,并融入速度差异补充项,以解决实际飞行过程中出现的误差干扰和其它不可知因素的干扰情况。该系统设计实现了智能飞艇对期望速度的稳定跟踪。通过仿真实验结果表明,该系统能够有效地对智能飞艇进行可靠稳定的控制,并大大提高了传统控制系统的有效性。     

基于变结构动态逆控制的平流层飞艇时间最优航迹设计

解决平流层飞艇自主航行的首要问题就是航迹规划。飞艇模型具有高度非线性,因此利用动态逆控制理论,通过非线性反馈和动态补偿实现飞艇非线性系统精确线性化,以方便使用庞特里亚金极小值原理设计飞艇时间最优航迹。同时以动态逆控制作为控制内环,以滑模变结构控制作为控制外环,设计双层结构的变结构动态逆航迹跟踪控制系统,实现对飞艇理想航迹的跟踪。该方法将动态逆控制的非线性解耦能力、变结构控制的鲁棒性能与庞特里亚金极小值原理有机结合,可以用来解决平流层飞艇定点悬停控制、悬停点间机动控制等问题,具有很好的工程实用价值。     

基于虚拟仪器的浮空飞行器阀门试验台测控软件设计

基于虚拟仪器技术采用LabVIEW开发了用于浮空飞行器阀门试验的通用测试与控制软件(以下简称"测控软件"),可实时采集与监控浮空飞行器的差压、绝压、温度、阀门开度、充气流量等参数,并能对阀门和试验设备实施多种控制,包括手动和自动控制阀门开启与关闭、控制多种风机启停工作等.经试验证明,所设计的测控软件能准确、可靠地实现浮空飞行器多种阀门工作参数采集、处理与有效控制.软件采取通用化、模块化、结构化的原则进行设计,提高了软件模块的独立性,充分发挥科研平台优势,将信号采集、处理、控制功能与试验对象有效集成,为浮空飞行器阀门试验提供了很好的通用测控平台,可服务于多种型号浮空飞行器阀门测试试验.     

无人飞艇的基于计算机视觉导航和预设航线跟踪控制

小型无人飞艇在反恐防暴、灾难监控、大气监测、广告、航拍、交通监控、应急通信中继平台等很多方面都有广阔的应用前景.这些应用都要求飞艇具有自动跟踪预设航线的能力.因此，本文提出了基于计算机视觉导航和优化模糊控制的策略来实现预设航线的自动跟踪.文中首先详细介绍了基于自然标志的视觉导航原理，无人飞艇机载视觉系统通过跟踪这些特征点——易在图像处理中识别的自然标志，例如城市中的高层建筑物，再结合数字地图或GIS，获取它们的位置和几何特征信息，利用针孔模型成像的几何关系解算出飞艇的位置和方向；接着根据无人飞艇的动力学特性，设计了以视觉导航获取的飞艇位置和方向信息作为输入的模糊飞控系统，并用GA算法优化了模糊控制器的成员关系函数.最后进行了验证和分析.     

欠驱动飞艇三维路径跟踪控制

针对欠驱动飞艇的路径跟踪控制问题,提出了一种基于制导向量场的三维路径跟踪控制方法.首先,引入向量场理论.接着基于牛顿–欧拉方程建立欠驱动飞艇动力学模型.基于所提模型和向量场理论构造制导向量场以获得期望姿态角和期望速度.然后结合反步法和PD控制设计路径跟踪控制器,用指令滤波器对控制器设计过程中虚拟控制的导数进行估计,避免了复杂的解析计算.所设计的控制器是由制导向量场子系统、姿态稳定环和速度跟踪环组成的内外环结构.稳定性分析证明了飞艇的路径跟踪误差最终一致有界.最后仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

自稳定双拼相机低空无人飞艇航测系统

介绍了自稳定双拼相机低空无人飞艇航测系统的结构组成、性能特点、技术指标和应用领域,并详细介绍了系统的核心技术:自稳定双拼相机以及影像处理软件。实验证明:使用该系统进行低空摄影测量可达到1∶2000、1∶1000地形图测绘的精度要求,达到了工程化、实用化目标。     

飞艇飞行控制仿真系统设计

随着Matlab/Simulink开发平台在飞行控制研究中的大量应用,飞行控制仿真系统已成为飞行器飞行控制研究的重要手段。介绍了基于模型的飞艇飞行控制仿真系统的工作原理、硬件设计、软件设计,采用一体化设计思想,将仿真系统设计成根据需要可随意扩展的综合性仿真系统。该仿真系统利用Matlab/Simulink平台,搭建飞艇飞行控制相关的各运动及控制模型,在实时通信网络和虚拟视景工作站的支持下,能实现全数字仿真、半物理仿真、人-机交互仿真等实时仿真,可用于飞艇飞行控制系统的方案设计、研制、试验等全开发过程。     

Robotic Airships for Exploration of Planetary Bodies with an Atmosphere: Autonomy Challenges

Robotic unmanned aerial vehicles have great potential as surveying and instrument deployment platforms in the exploration of planets and moons with an atmosphere. Among the various types of planetary aerovehicles proposed, lighter-than-atmosphere (LTA) systems are of particular interest because of their extended mission duration and long traverse capabilities. In this paper, we argue that the unique characteristics of robotic airships make them ideal candidates for exploration of planetary bodies with an atmosphere. Robotic airships extend the capabilities of balloons through their flight controllability, allowing (1) precise flight path execution for surveying purposes, (2) long-range as well as close-up ground observations, (3) station-keeping for long-term monitoring of high science value sites, (4) transportation and deployment of scientific instruments and in situ laboratory facilities across vast distances, and (5) opportunistic flight path replanning in response to the detection of relevant sensor signatures. Implementation of these capabilities requires achieving a high degree of vehicle autonomy across a broad spectrum of operational scenarios. The paper outlines some of the core autonomy technologies required to implement the capabilities listed above, drawing on work and results obtained in the context of AURORA (Autonomous Unmanned Remote Monitoring Robotic Airship), a research effort that focuses on the development of the technologies required for substantially autonomous robotic airships. We discuss airship modeling and control, autonomous navigation, and sensor-based flight control. We also outline an approach to airborne perception and monitoring which includes mission-specific target acquisition, discrimination and identification, and present experimental results obtained with AURORA.     

Hierarchical optimization of the composite blade of a stratospheric airship propeller based on genetic algorithm

High-altitude propellers equipped with solar energy systems are widely adopted in stratospheric airships because of their light weight, excellent mechanical performance, and high efficiency. To optimize the composite laminated structure of the blade, a hierarchical optimization method based on genetic algorithm is carried out. Global and local layers are combined according to the structural and loading properties of the blade, and each partitioned region in the local layer is optimized independently. Combined with the finite element method, a subprogram based on the classical lamination theory is developed to simulate the stiffness matrix of the blade and obtain the deflection, weight, etc. as objects. The restricted condition, whether the structure has failed, is determined by the Tsai-Wu criterion. In addition, multiple tasks are delivered and read simultaneously by a specific program for the sake of improving computation efficiency. After verification with a case study, the stacking sequence and thickness of the blade of a stratospheric airship propeller is optimized and an ideal result is obtained.     

液体晃动条件下飞艇水箱动力响应仿真分析

为了增加重载飞艇的载重能力,在满足结构强度要求下飞艇上的贮水水箱需要采用薄壁结构、轻质材料等方法来减轻重量。水箱在空中受到风载荷或其他载荷的作用,会导致水箱中的液体发生晃动,水箱在液体晃动和外部载荷共同作用下,可能会遭到破坏。考虑流固耦合作用对水箱结构的影响,分别从液体小幅晃动和大幅晃动两种情况对水箱动力响应进行研究。对于大幅晃动的情况,以试验所得风载荷加速度函数作为激励,利用计算流体动力学（CFD）方法进行仿真分析。分析结果表明,小幅晃动条件下,即使水箱发生共振,其结构也不会遭到破坏;大幅晃动条件下,1.3 mm以下壁厚钢材料水箱和2.1 mm以下壁厚铝合金材料水箱结构会遭到破坏。该分析结果可为水箱部分设计参数的确定提供参考依据。