基于全局收敛多维牛顿迭代法的飞行配平算法研究

研究全局收敛数值方法以此来解决机翼不对称损伤无人机的飞行配平问题.首先,提出解决此特殊构型飞机配平问题的多维牛顿迭代方法和其全局收敛性证明方法;其次,简要分析机翼损伤对质量特性和气动特性的影响,推导适合数值求解的配平方程并依其原理给出选取飞行配平初始点的方法;最后,给出了左翼损失40％面积矩某小型电动无人机(SEPUAV)的配平结果,并通过对比讨论其优劣性.仿真结果表明,当保证全局收敛时,该方法不仅解决了迭代初值点选取困难问题,而且能够快速地给出一般构型飞机(如机翼不对称损伤飞机)的纵侧向飞行配平点集,提高飞行配平的实时性和通用性.     

某型无人机碳纤维复合材料翼梁安全寿命预估

提出了一种无人机机翼碳纤维复合材料翼梁安全寿命预估的方法;首先进行了某型无人机静平衡飞行时的有限元分析,获得了碳纤维复合材料机翼的应力分布及应力集中区域;基于地面数据终端的遥测帧数据提取无人机基本飞行参数,在合理假设基础上推导了无人机机体迎角、侧滑角计算公式,再利用动力学方程反演无人机在机动载荷下的重心过载谱,进而结合机翼编制了机翼在各飞行剖面下的应力谱;然后,设计了机翼翼梁碳纤维复合材料试样,开展了试样的静力试验与疲劳试验,拟合得到了机翼翼粱碳纤维复合材料的S-N曲线;最后,基于Miner线性损伤累积原理,完成了某型无人机机翼翼梁的安全寿命评估;文章方法基于无人机地面数据终端的遥测帧数据进行翼梁应力谱编制,简单便捷,特别适用于中小型无人机装备过载谱的获取。     

基于ANSYS/CFX耦合的机翼颤振分析

在飞行器飞行气动特性的研究中,为避免传统方法进行颤振点预测时的"准模态"假设,能够更加准确地仿真机翼在流场中的真实运动情况,根据CFD/CSD一体化设计思想,采用了ANSYS/CFX紧耦合算法,对国际标准气动弹性模型AGARD 445.6机翼作了颤振分析,验证性地研究了亚音速和跨音速颤振机理,将仿真计算结果和实验数据进行了比较.表明耦合计算所得的颤振速度和颤振频率和实验值吻合,在亚音速阶段,机翼颤振主要是机翼的弯曲扭转耦合运动引起,而跨音速阶段则主要是机翼的弯曲运动的不稳定性引起,与理论定性分析得到的结果一致,证明ANSYS/CFX全耦合的应用为求解非线性流固耦合问题提供了有效的方法.     

机翼伸展对低速飞行状态的影响

变翼飞行器在飞行过程中因机翼构型、面积等发生变化,引起质量分布、惯性及气动特性发生相应改变,飞行动力学因此受到影响.基于Lagrange方程,本文首先建立变形机翼飞行器的动力学模型,简化后得到伸展变翼的纵向运动方程,并通过气动仿真获得伸展机翼飞行器的低速气动特性.然后,借助线性插值确定气动参数随翼展的变化关系,研究了伸展变翼过程对于飞行器平飞、爬升、俯冲和盘旋的作用.结果表明,因变翼过程中升阻系数改变,飞行器将发生变速沉浮运动,此时为保持飞行状态的稳定,需对飞行器加以控制.     

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。     

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。     

多螺旋桨太阳能无人机俯仰控制方法研究

在太阳能无人机飞行俯仰控制的研究中,为更好地满足太阳能无人机长航时的飞行要求,提出一种采用由多螺旋桨差动推力产生俯仰力矩从而达到俯仰控制效果的新型控制方法。太阳能无人机机翼的柔性结构特点造成飞行过程中螺旋桨产生纵向位移,为多螺旋桨差动控制提供了基础。由于多螺旋桨是过操纵机构,引入加权伪逆方法对多螺旋桨输入冗余进行控制分配,并与传统的升降舵LQR控制方法进行对比分析。仿真结果表明,多螺旋桨差动推力俯仰控制方法能达到良好的控制效果,且比传统升降舵控制更符合太阳能无人机飞行特点和可靠性要求,为太阳能无人机实现无气动舵面飞行控制提供了理论依据。     

无尾扑翼无人机动力学建模及仿真

近年来,仿生无人机在战场侦察和飞行巡逻等方面应用广泛,使其成为无人机领域的研究热门,传统仿生无尾扑翼无人机的飞行建模问题通常较为复杂,计算难度较大,因此亟待对此类无人机进行飞行控制的研究。文章针对仿昆虫无尾扑翼无人机的动力学建模问题进行了研究,基于叶素法、准稳态假设模型以及刚体动力学建模方法,对机翼运动进行受力分析,得到机翼的动力学模型;机体采用刚体动力学方法,建立无人机飞行模型。仿昆虫无尾扑翼无人机系统采用PID控制模型对机体纵向动力学模型控制,以俯仰角、阶跃输入方式,通过实验表明,系统的超调量分别为和,调节时间分别为0.5和1,稳态误差符合实验要求。     

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。     

仿生扑翼“0”形轨迹机构的设计及气动力特性

针对仿生扑翼飞行器的驱动结构进行设计,提出了一种空间摇杆式的驱动机构与机翼扭转机构,实现机翼扑动过程中的"0"形空间运动轨迹.针对机翼的空间"0"字形运动,建立仿生飞行器气动分析模型,采用动网格与非定常数值计算方法,对机翼拍动过程中不同相位下的升阻特性进行分析,并通过空气动力效率与流场对比分析,得到不同参数条件下的气动效率,为仿生扑翼飞行器的设计及扑动模式的选择提供参考.通过气动力测量实验、台架姿态标定和外场飞行测试,验证了结构设计的合理性.     

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.     

自抗扰实现飞翼布局无人机全包线飞行控制

本文以大展弦比飞翼布局无人机为研究对象,基于线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)理论设计了包含内环姿态控制和外环轨迹控制的全包线飞行控制器.在姿态控制中,提出一种抗时滞LADRC控制方法,可以有效解决控制延迟和执行机构动态特性引起的LADRC响应振荡;在轨迹控制中,考虑飞翼布局无人机的气动特性,分别设计了高度、航向、侧向偏离等常用飞行模态的跟踪控制器.仿真结果表明,在气动参数存在不确定性及强风干扰的全包线环境中连续飞行时,所设计的控制器具有较好的控制性能和较强的鲁棒特性.与常规全包线控制方案相比,本文设计的全包线飞行控制器待整定参数较少,参数整定过程相对简单,为进一步的工程应用提供了参考.     

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.     

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.     

Motion Study of the Ornithopter with Periodic Wing Oscillations

The motion of an ornithopter, a flying robot, consisting of a body and two symmetric twolink wings, is considered. The device moves in a vertical plane perpendicular to the longitudinal axis of the robot. All the links of the object form a chain through cylindrical joints with parallel axes. A mathematical model of the ornithopter is developed based on a bird’s flight analysis taking into account the aerodynamic interaction of all the links with the environment. Sequences of flight phases are considered, each of which differs in the direction of motion of the wing links. As a result of numerical simulation, diagrams of the robot’s modes of motion are constructed (ascent, hovering, and descent) and the effect of the amplitude and frequency of oscillation of the wing links, as well as their area, is determined (the same wing area was achieved by varying the length and width of the wings).     

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。     

改进人工势场法的四旋翼路径跟随能力研究

为了提高四旋翼无人机航线任务飞行中的路径跟随能力和抗干扰能力,设计了一种基于改进人工势场法的路径跟随算法,该算法针对目前的人工势场法只能逼近目标点和避开障碍点、没有一个很好的路径跟随能力的缺点,通过增加目标航线上的点对无人机的吸引力来驱使无人机在逼近目标航点的同时能较好地跟随航线。构建了四旋翼无人机控制算法仿真,通过仿真无人机在飞航线的多种情况证明,所设计的路径跟随算法具有很强的抗干扰能力以及较高的控制效率。     

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.     

一种飞翼布局飞行平台FADS系统应用方案研究

对于一些高性能飞行器(如飞翼布局飞行器),仅采用安装在机头表面的测压孔的FADS系统方案.某些情况下不一定能够给出较为准确的飞行姿态数据;针对飞翼布局飞行平台对高精度迎角、侧滑角的依赖性.给出了一种采用安装于机头表面的测压孔和机翼前缘的测压孔相结合的FADS系统方案,推导了其空气动力学模型,并用BP神经网络拟合出了迎角和侧滑角的修正曲线,结果表明该方案能够满足系统精度的要求。