舰载弹射起飞多体动力学仿真张量模型

舰载机弹射起飞过程复杂,目前完整考虑舰船、舰载飞机和大气运动及其相互作用的仿真模型尚未见到.将舰船、飞机、起落架等视作具有独立质量的多运动实体,基于张量理论建立了弹射起飞过程的全量多体动力学仿真模型.通过张量模型在不同坐标系的投影方程,分析、描述了多运动体之间的耦联关系.并考虑舰船运动、诱导风场等对舰载机的作用,通过某舰载机弹射起飞的仿真结果曲线,描述了舰载飞机弹射起飞过程的特殊动力学行为.     

用于大机动飞行仿真的四元数改进算法

传统的四元数和欧拉角之间的转换只在[-90o,90o]之间取值,且仅是对体轴系下的姿态角进行处理,并没有考虑与航迹轴相关的航迹角的转换问题,这样在大机动飞行仿真中不仅会使飞机方程的解出现奇异,且不能正确表示飞机的姿态。提出了一种新的改进算法,使用该算法,不仅能够实现全角度的四元数与欧拉角之间的转换,也对航迹角的解算进行了相应的处理,使仿真结果与姿态角和航迹角的定义及定义域吻合,能够正确描述飞机的飞行状态。经过对多种大机动飞行动作的仿真,验证了本方法是正确、实用的。     

基于本体的飞机舵面结构故障诊断方法

从系统工程的角度分析了飞机系统的复杂性,将飞机族的概念引入到飞机的本体建模中,并以舵面故障诊断过程为研究对象, 首先用Protégé建立了飞机本体的领域知识模型,然后将单故障和组合故障的诊断知识列为本体中的SWRL规则,最后利用 JESS推理出 新知识得出诊断结果,实现了用本体来选择修复方案的过程.该方法能够实现复杂系统的建模及故障诊断 方案的准确选择,并可通过增加新的诊断知识来完善故障诊断知识库.     

空空导弹攻击超视距空中目标仿真研究

通过对超视距空中机动目标的分析和合理的假设之后,提出了用空空导弹攻击超视距空中目标的基本模型。从建立目标机、空空导弹、载机的适当坐标系入手,分别给出了目标机、空空导弹及其制导模型、载机的运动模型。建立所给定空空导弹攻击系统的总体模型,对空空弹采用扩展比例导引算法,利用最优控制理论导出最优导引律。经仿真验证证明在作战飞机常用的作战高度、空战速度范围内,用远程空空导弹来攻击超视距空中目标是完全可以实现空中防御的。     

空间微动目标动态全极化回波仿真技术研究

从空间微动目标的运动特性和全极化散射特性两方面出发,研究了进动目标动态全极化回波仿真技术。分析了自由段飞行过程中目标姿态角的变化规律,通过进动坐标系建立了微动参数到目标姿态角的映射关系,修正了直接将偏航、俯仰、横滚等三个欧拉角应用于进动目标姿态角计算的方法。建立了目标测量极化到雷达发射极化的变换关系,指出全极化雷达各个极化通道回波的仿真,均需要目标全极化测量数据的支撑。典型参数下的仿真结果表明,本文提出的方法能够逼真反映空间微动目标的全极化特性。     

基于四元数的3D物体旋转及运动插值

研究了四元数方法在三维图形旋转变换中的应用。提出一种利用鼠标的拖拽关联三维模型的方位欧拉角的方法,将表示旋转数据的方位欧拉角转换为四元数,并利用四元数乘法运算的几何意义实现多次旋转的连接,最终实现鼠标拖拽自由旋转三维物体的功能。对物体的方位序列进行四元数球面线性插值,实现了使某水下航行体模型的运动仿真效果更加顺滑、逼真。     

WGS-84坐标系下飞机航迹与姿态仿真研究

针对大部分文献的航迹仿真方法基于本地直角坐标系,以及将飞机视作点目标,未考虑其姿态的问题,提出了WGS-84(world geodetic system-84)坐标系下飞机航迹与姿态仿真方法。基于复杂航迹可由较为简单的航迹段组合的思想,推导了分段匀速直线对等海拔高度长航时圆弧航迹进行近似,以及在空间某一平面内匀速转弯航迹的一系列相关公式,并导出了飞机姿态由其速度估计的数学表达式。实现了WGS-84坐标系下飞机的长航时航迹与跑道形、“8”字形等典型航迹以及姿态的仿真。结果表明,该方法可逼真模拟飞机的航迹与姿态。     

基于改进四元数阻尼误差模型的SINS初始对准算法

针对传统捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system, SINS)四元数非线性误差模型存在坐标系不一致的问题, 对姿态误差模型和速度误差模型进行改进, 将误差矢量统一投影至计算导航坐标系下。此外, 引入全球定位系统阻尼信息, 在阻尼SINS解算基础上, 结合四元数无迹估计器提出了一种改进四元数阻尼误差模型对准算法, 可应用于系泊状态下的SINS初始对准。仿真和车载试验结果表明, 在不同的大失准角下, 该改进算法相比传统四元数阻尼误差模型对准算法和欧拉角阻尼误差模型对准算法, 具有更好的对准精度、收敛速度以及稳定性。     

基于脸部特征和头部姿态的疲劳检测方法

针对疲劳驾驶检测方法存在疲劳特征单一、鲁棒性低和不能因驾驶员不同定制疲劳阈值等问题，提出了一种基于脸部特征和头部姿态的疲劳检测方法。利用HOG(histogram of oriented gradients)特征算子和回归树算法进行人脸检测和人脸关键点定位；通过脸部关键点结合坐标系变换估计头部姿态欧拉角；建立深度残差神经网络模型对眼部疲劳特征进行提取，同时结合眼部、嘴部纵横比和头部姿态欧拉角进行疲劳特征提取；利用眼部、嘴部和头部姿态疲劳特征建立针对不同驾驶员的支持向量机模型对疲劳驾驶进行预警。实验表明：在YawDD和自建疲劳模拟数据集上，该方法均表现出较高的准确率和鲁棒性，在某一疲劳特征检测受阻时依然能进行较好的疲劳预警。     

破片型空空弹杀伤概率三维建模与仿真

分析了导弹单发杀伤概率计算的限制,提出应该建立精确的模型对单发概率进行仿真.建立弹目相对速度坐标系,得到该坐标系与大地坐标系的变换矩阵,计算出该坐标系下的交会参数.结合引信模型、战斗部模型、飞机易损舱段模型针对破片型战斗部进行了完整的三维末端仿真.依据仿真结果分析了引信参数对末端杀伤效果的影响,提出了提高导弹末端杀伤概率的途径.     

准坐标系下的弹性飞行器飞行动力学建模

结合有限元思想和拉格朗日方程推导了准坐标系下的弹性飞行器飞行动力学模型,与通常采用的平均轴系建模方法相比,该方法克服了变量难在相同坐标系下表示等缺点,而且该模型包含了自由度之间所有的耦合,能够更充分的反映刚性自由度与弹性自由度间的交叉耦合特性,更全面的从本质上体现飞行器结构动力学、空气动力学以及飞行动力学这种多学科之间相互影响的非线性飞行动力学特性。该动力学模型可用于弹性飞行器非线性稳定性分析、弹性飞行器飞行动力学与控制理论分析等。

Abstract：

As the frequency separation between the rigid body modes and the structural dynamics becomes tighter, the traditional aircraft flight mechanics treatment, there is, the rigid body approximation, may be not efficient. A complete coupled equation of motion for fully flexible aircrafts were derived, without any constraint relationship, which was done by employing Lagrange’s equations and the finite element method in terms of quasi-coordinates. This model includes automatically all six rigid-body degrees of freedom and elastic deformations, as well as the gravity, propulsion, aerodynamics, and control forces, in addition to forces of an external nature, such as gusts. Different from the modeling method based on ＂mean axes＂ coordinate system, the seamless integration was achieved by using the same reference frame and the same variables to describe the aircraft motions and the force acting on it, including the aerodynamic forces. The formulation is modular in nature, in the sense that the structural model, the aerodynamic theory, and the controls method can be replaced by any other ones to better suit different types of aircraft, provided certain criteria are satisfied.     

先进短距起飞垂直着陆飞机的建模与仿真研究

先进短距起飞垂直着陆(ASTOVL)飞行／推进综合控制技术的实现，需要进行大量的理论研究和仿真计算，以确定最优控制律。通过用全量非线性方程来描述的该类依靠气动舵面和推力矢量融合控制技术的飞机运动状态，建立了六自由度的飞机动力学数学模型。由于没有对刚体飞机数学模型和气动数据进行线性化处理，因而所建模型不仅能较全面地反映STOVL飞机的实际运行特性，而且具有较强的通用性。最后，以某型号STOVL飞机为背景，在MATLAB5．2／Simulink环境下研究和开发了飞行数字传真器，介绍了仿真软件的设计思想和程序架构，并通过数字仿真验证了该仿真器的正确性。     

倾转旋翼飞行器飞行力学建模及验证分析

为了进一步提高倾转旋翼飞行器的建模精度,考虑旋翼挥舞运动、采用有限状态尾迹模型描述旋翼诱导速度,进而建立旋翼气动力数学模型;考虑旋翼/机翼/干扰,建立相应气动力数学模型;针对倾转旋翼飞行器操纵冗余问题,建立了适用于全模态的操纵策略数学模型。最后以通用倾转旋翼飞行器数学模型和飞行试验数据,对建立的数学模型进行验证。仿真结果表明建立的飞行动力学模型具有良好的精度,适用于飞行动力学其他问题的分析研究。     

基于载机运动特征的FMCW SAR前视成像仿真分析

基于阵列技术的机载前视线性调频连续波(FMCW)合成孔径雷达(SAR)能对载机前方区域高分辨成像,且能满足机载SAR小型化的需要。针对前视成像若不考虑载机运动时信号模型不完整和系统应用受到制约的问题,提出基于载机运动特征的FMCW SAR前视成像。分析了前视FMCW SAR与脉冲SAR信号收发模式等问题的异同,建立了基于载机运动特征的前视FMCW SAR信号模型。分析了载机运动的影响,并重点讨论了载机运动引入的多普勒频率偏移。结合距离-多普勒(RD)算法流程给出了多普勒频率偏移的补偿方法并进行了仿真研究。结果表明,载机运动会引起点目标航线向主瓣展宽、旁瓣畸变以及目标位置的搬移,通过补偿可有效消除载机运动的影响。     

某运输机纵向周期模态频域仿真分析

在当代飞机设计及背景预研项目中,飞机纵向模态特性分析是必不可少的一个环节,模态特性也是影响飞机飞行操纵品质和飞行安全的因素之一,为了全面熟悉纵向周期模态特性,需要建立合理的纵向小扰动简化运动方程及相关动力学模型。给出了简化处理的线化小扰动方程,然后基于某运输机模型的气动数据以及飞行包线内的巡航状态,结合简化模型,在频域内对纵向周期模态特性进行了仿真分析。结果表明:简化模型可以准确地反映运输类飞机的纵向周期模态特性。同时,考虑了飞机发动机、操纵等结构系统对其模态特性的影响,因而提出了一些运输机设计和控制方法,为其它飞机型号设计提供工程理论指导。     

舰载机着舰航线侧方计时建模与分析

为了提高航母回收舰载机的成功率,针对舰载机在着舰航线的顺风飞行距离精准问题,进行侧方计时研究。考虑航母航行使下滑道距离变长,舰载机顺风边飞行时自然风速使地速变大,自然风对舰载机下降转弯产生漂移影响,基于飞行动力学理论,建立了舰载机在着舰航线上侧方计时的数学模型,并对此模型进行数值模拟分析。结论如下:本模型适合于不同重量、不同挂载、不同型号的常规起降方式的固定翼舰载机在着舰航线上进行侧方计时的计算。     

伸缩翼飞机变形飞行的建模与滑模变增益控制

研究了伸缩翼飞机变形飞行过程的动力学建模与鲁棒控制问题,以分析机翼变形对飞机性能的影响机理,并实现机翼变形时的平稳飞行。首先通过气动仿真分析构建了伸缩翼飞机气动参数与机翼变形的关联函数,进而建立了变形飞行的动力学模型。在此基础上提出了一种新的滑模变增益控制(sliding mode gain scheduled control,SMGSC)策略,更好地保证闭环系统的全局稳定和鲁棒性能。仿真结果表明,机翼伸缩能直接改变飞机的气动特性和运动模态;SMGSC能更好地保持伸缩翼飞机变形飞行时的状态稳定,并消除复合干扰的影响;伸缩翼飞机通过机翼变形可以减少50%的燃油消耗实现同样的飞行任务,具有重要的性能优势。     

基于大地坐标系的IMM航空器短期航迹外推

针对航路飞行阶段的航空器, 通过对比空间直角坐标系和大地坐标系的优劣, 采用大地坐标系表示航空器的位置; 基于大地坐标系, 将航空器的运动解耦成3个方向上的独立运动, 分别建立每个方向上的子模型; 使用交互式多模型(interacting multiple model, IMM)算法对航空器的航迹进行跟踪。仿真结果表明, 基于大地坐标系的IMM算法对于航空器有很好的轨迹追踪性能; 根据航空器末时状态及各个子模型的概率分布进行航空器的航迹短期外推, 基于大地坐标系的IMM算法的航迹外推性能优于基于空间直角坐标系的IMM算法的航迹外推性能。     

一类可变飞行模态飞行器的统一建模研究

可变飞行模态飞行器,兼有直升机垂直起降、悬停和固定翼飞机高速前飞的优势,是飞行器发展的重要方向之一。在分析一类可变飞行模态飞行器运动机理的基础上,建立了能够反映该类飞行器共有特性的、抽象的统一数学模型结构。并在统一模型的框架下,建立了鸭式旋翼/机翼无人机的六自由度数学模型,并对其进行仿真验证。仿真结果表明,该建模方法可以实现该类飞行器各转换模态的配平,并具有较强的通用性。     

倾转旋翼飞行器无模型自适应姿态控制

采用余弦加权分配法克服了控制操纵冗余问题,采用内/外回路控制结构解决了通道间耦合问题,实现了不同飞行模式下飞行控制系统统一建模。针对无人倾转旋翼飞行器动力学模型难于准确建立问题,引入伪梯度向量和伪阶数,应用无模型自适应飞行控制策略,使飞行控制系统对存在动力学特性非线性、时变性和未建模部分的被控对象具有更强的自适应性和鲁棒性。仿真验证了无模型自适应控制器的自适应性和鲁棒性优于比例〖CD*2〗积分〖CD*2〗微分控制器,给出了倾转旋翼飞行器由直升机模式到过渡模式再到飞机模式的全过程仿真,验证了无模型自适应控制器能够应用于倾转旋翼飞行器飞行控制系统设计,为无人倾转旋翼飞行器飞行控制系统设计,提供了一套新的控制系统设计方法,便于工程实现。