柔性翼飞行器刚柔耦合动态特性研究

针对柔性翼飞行器柔性机翼弹性运动与飞行器刚体运动具有强耦合特性,基于拉格朗日方程,建立了柔性翼飞行器动力学模型.在特征点处对动力学模型进行小扰动线性化处理,并联立非定常气动力模型,得到了状态空间形式的纵向线性运动方程.分析了机翼结构刚度对飞行器纵向稳定性的影响以及飞行器的模态耦合动态特性.研究结果表明,柔性翼飞行器的弹性自由度会对飞行器的短周期模态造成较大影响.随着飞行速度的提高,短周期模态频率增加而1阶弯曲弹性模态频率降低,当两者频率趋向一致时,飞行器会发生体自由度颤振,体自由度颤振速度要明显低于基于悬臂梁机翼模型计算得到的颤振速度.      

柔性翼飞行器动力学建模与循环求解仿真方法

针对刚体飞行动力学难以描述柔性翼飞行器刚柔耦合动力学特性的问题,提出了一种在时域内对刚体运动和弹性体运动交替进行数值计算的建模与循环求解仿真方法.该方法分别为飞行器刚体与弹性体运动建立了独立坐标系,根据坐标系之间的惯性牵连关系,通过气动力与惯性力完成了刚柔耦合动力学关系在刚体与弹性体运动之间的传递.与此对应的仿真算法是在1个积分步长内顺序计算飞行器受力情况、弹性变形状态与刚体运动状态,在仿真步长之间以循环求解的方式进行仿真计算.以飞行器对姿态扰动的动态响应为例进行仿真分析,结果表明本文的动力学建模与仿真方法能正确反映柔性翼飞行器的飞行特性.      

多控制面柔性翼飞行器阵风减缓研究

小型柔性翼飞行器遭遇较强阵风时会引起姿态和质心加速度的剧烈变化,并诱发柔性机翼的弹性运动,甚至导致失稳.柔性翼飞行器的阵风减缓控制需要同时考虑刚体自由度和弹性自由度.基于最小状态法,将频域非定常气动力转化成时域状态空间形式.推导了离散阵风和连续紊流扰动下,柔性翼飞行器的纵向状态空间方程.采用预测控制方法设计了阵风减缓控制器,提出了多控制面控制分配策略,解决了强阵风扰动下独立控制面控制力不足的问题.仿真结果表明,模型预测控制能够有效减缓离散阵风和连续阵风扰动下飞行器的结构载荷,稳定刚体运动和弹性运动,其控制效果优于线性二次高斯（LQG）控制.      

近空间飞行器的DSF：vsat鲁棒快速Terminal滑模控制

针对一类强耦合强非线性系统,依据趋近角的概念定义了新型动态饱和函数,并利用连续趋近方法证明了动态饱和函数的平衡面趋近性能.设计了基于动态饱和函数的快速Terminal滑模面,不仅确保了滑模到达过程,而且减少了参数导致的振颤和奇异问题,并依据Lyapunov稳定性理论设计了包含动态饱和函数的鲁棒跟踪控制律,而后证明了系统的有限时间收敛性.针对具有大飞行包络的变结构近空间飞行器,给出了不同飞行状态下的有效动力学系统描述,将先前提出的控制函数算法应用于飞行控制系统中,分别设计了快慢通道滑模面和相应的控制律,有效抑制了参数不确定性与外干扰对系统的影响.仿真结果证明了控制方案的有效性与鲁棒性.     

跟踪地面目标的小型无人机飞行控制仿真研究

对无人机跟踪地面目标时的飞行控制问题进行了研究.首先对某小型无人机跟踪地面目标时的运动状态进行了建模分析,利用自动控制理论知识设计了相应的控制律,然后采用六自由度非线性运动模型进行了控制律的仿真验证,并且分析了风的扰动对跟踪精度的影响.仿真结果表明,设计的控制律能够控制无人机对地面目标进行可靠跟踪,且对侧风扰动具有较好的抑制能力.     

自由浮动空间柔性冗余度机械臂姿态稳定控制

讨论了自由浮动柔性冗余度空间机械臂的姿态稳定控制问题.采用假设模态法对柔性连杆的变形进行近似描述,忽略高阶弹性振动模态,然后利用拉格朗日法建立空间柔性冗余度机械臂系统的动力学模型.在此模型基础上利用奇异摄动法把系统分解为快慢2个子系统,设计慢变子系统的模糊滑模控制器,以保证轨迹误差的渐近跟踪.对快变子系统则采用最优控制...     

基于趋近律滑模的四旋翼飞行器姿态控制

针对存在扰动因素影响下的四旋翼飞行器姿态控制问题,设计一种基于趋近律滑模的四旋翼飞行器姿态控制器.首先,通过对螺旋桨的受力分析建立四旋翼飞行器的动力学系统模型.然后,为了实现系统姿态的稳定跟踪控制,采用趋近律滑模控制方法设计控制器,同时应用Lyapunov稳定性分析方法对闭环系统的稳定性进行了证明.最后,通过数值仿真验证了所设计控制方法的有效性.     

高超声速飞行器模型弹性特性影响的机理分析

针对高超声速飞行器的弹性效应对气动及推进系统的耦合影响,基于一类高超声速飞行器构型,采用机理分析方法,分析飞行器弹性形变,计算飞行器机身和控制面发生弹性形变后的气动布局及发动机推进系统的推力,研究了弹性效应对气动及推进系统的耦合影响.仿真分析表明:当飞行器机身发生弹性形变时,升力、阻力、俯仰力矩及推力变化明显.低阶弹性模态对飞行器的影响起主导作用,弹性效应的影响在建模中不容忽视.     

基于反步滑模法的四旋翼飞行器的轨迹跟踪

研究了四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制问题.首先根据经典的动力学模型建立惯性坐标系下带有扰动的四旋翼方程.其次将系统划分为姿态子系统和位置子系统,对姿态子系统的轨迹跟踪控制,采用反步控制与滑模控制相结合的方法,根据飞行器的欠驱动和强耦合特性,利用反步控制方法实现位置子系统的轨迹跟踪控制.然后对系统进行稳定性分析.最后通过仿真...     

飞翼式微型飞行器动力学特性分析

微型飞行器动力学特性分析是MAV设计中的一个重要环节.本文以某型飞翼式MAV为研究对象,根据改进的线性化模型对MAV纵向和横侧向整个飞行范围内的动力特性进行分析.分析表明,所研究的MAV在整个飞行范围内其纵向运动特性差异明显,横侧向螺旋模态不稳定,而荷兰滚模态稳定且具有较大的阻尼比.本文的研究工作对飞翼式MAV控制系统的成功研制具有重要的指导意义.     

一种新型大过载飞行模拟器运动仿真分析

提出一种新型的基于绳牵引并联机器人技术的飞行模拟器,针对其大过载机动特性进行仿真分析。首先根据绳牵引并联机器人理论,设计了9根绳牵引具有6自由度的运动平台;通过建立平台动力学模型,设计了对干扰项进行补偿的前馈PD控制率;其中前馈项主要确保动态过程中绳索处于张紧状态。进一步给出了系统控制稳定性分析;并以大过载机动和单自由度俯仰振荡运动为例进行了数值仿真。分析结果表明,在大过载机动情况,瞬时正加速度超过4 g,平台位置能够迅速衰减并稳定;基于绳拉力前馈,可以避免绳索松弛,能够满足飞行员过载训练;俯仰运动也具有较好的跟踪特性。研究成果可为进一步分析工作空间、动态特性及控制稳定性等奠定基础,为绳牵引并联支撑的飞行模拟器设计提供指导与依据。     

微小型变体飞行器建模与控制系统设计

研究了机翼可后掠变形的微小型变体飞行器动力学建模和飞行控制系统设计方法. 通过状态点选取、气动参数计算和数据拟合插值,建立了变体飞行器的动力学模型. 针对模型的特点,提出了一种以参数空间方法为基础的变体飞行器飞行控制系统设计方法,通过计算机辅助算法,设计了纵向通道控制系统. 仿真结果表明,所设计的公共固定增益控制器能够使得变体飞行器在不同飞行阶段始终具备要求的动态特性,具有可行性和工程实用性.      

基于航道3段越障的民用运输机障碍物限制起飞重量计算模型

为研究障碍物对民用运输机最大起飞重量的影响,根据飞机在空中的受力特点及CCAR25-R4的要求,建立了基于航道3段越障的障碍物限制起飞重量的计算模型。模型根据飞机的空中运动方程推导出飞机总航迹和净航迹,再由净航迹的垂直高度与障碍物的高度之间的关系判断飞机是否可以安全越障。计算分析了计算步长、障碍物高度、顺逆风对最大起飞重量的影响。结果表明：改平高度与实际情况相符,障碍物限重规律与根据飞行手册得出的结论一致,计算结果合理;计算步长取1s能够获得较好的计算精度和时间效率;障碍物限重、改平点和改平高度均与障碍物的高度和位置有关;顺风或逆风对障碍物限重的影响为线性关系,同样的风速大小,顺风使起飞重量的减小量大于逆风使起飞重量的增加量;计算模型可为研究障碍物限重提供理论参考。     

基于决策场和动力学的航空器搜寻区域划设

在失事航空器信息条件缺省的情况下,定位航空器搜寻区域对开展后续救援工作极为重要,为提高定位准确率,通过决策场的相关理论,对迫降过程中飞行员的应急行为决策进行分析,从而提出了一种耦合飞行员应急行为决策和飞行动力学的航空器搜寻范围划设方法。在此基础上,根据高高原地区的气象地形条件建立飞行环境,以B737-700机型为例,在考虑飞行员决策结果差异的情况下,对部分信息条件缺省的航空器迫降飞行过程进行模拟,并据此确定搜寻区域的范围和优先级。仿真结果表明在不稳定因素干扰或信息缺省的情况下,耦合飞行员应急行为决策和动力学模型的搜寻范围划设方法是可靠的。     

六旋翼植保无人机模糊自适应PID控制

六旋翼植保无人机在作业过程中自身载荷变化将引起飞行控制性能下降、抗扰动能力降低等问题。为了提高六旋翼植保无人机的可控性,通过对六旋翼植保无人机在喷洒农药过程中进行分析和建模,推导出植保无人机时变动力学模型,提出了一种模糊自适应PID控制算法,模糊自适应PID算法适应性强,参数整定简单,提高了系统动态响应和稳态性能。将各个传感器的测量参数输入到模糊自适应PID算法中,可以得到对应的控制量,实现飞行器稳定运行。通过使用Matlab软件对飞行系统进行仿真,并结合实验平台实际飞行控制表明,系统的动态性能和稳定性得到了有效提高。     

基于改进微粒群算法的飞机纵向飞行轨迹优化

为提高飞机纵向飞行轨迹优化的精度和收敛速度,提出了用改进的微粒群算法对飞机纵向飞行轨迹进行优化的新方法。基于质点动力学和能量状态方程,建立了飞机质点运动数学模型;利用庞特里亚金最小值原理,给出了飞机纵向飞行过程优化的目标方程;引入自适应惯性因子,采用罚函数法对轨迹寻优问题进行无约束化处理,基于改进的微粒群算法对纵向飞行轨迹进行了优化,并给出了算法优化流程。使用改进的微粒群算法,得到了Boeing 737-800飞机纵向飞行最优轨迹。优化结果与试验结果的比较表明,该算法可使纵向飞行轨迹快速收敛于最优解,算法具有收敛速度快、精度高的优点。     

Z字形飞机建模与半实物仿真研究

为了提高无人机飞行品质,研究无人机控制的半实物仿真应用,形成一套通用的无人机飞行控制律设计与半实物仿真方法,针对气动特性较为复杂的Z字形飞机进行了研究。Z字形飞机机翼可向机身方向折叠,便于存放和运输。根据Z字形飞机外形参数,求得气动数据,并在此基础上利用小扰动线性化原理建立纵向线性模型,通过加入干扰脉冲方式研究模型纵向静稳定性,选取各环节传递函数,建立俯仰控制回路,调整PID参数,设计纵向控制律,分别使用Simulink和半实物仿真器进行仿真。仿真结果表明,无人机具有较好的静稳定性,PID控制参数选择合理,系统超调量较小,调节时间较短,可以提升无人机飞行品质,半实物仿真可以更真实、直观地反映无人机姿态,所用建模与仿真方法可应用到其他固定翼无人机,具有一定的通用性。     

四旋翼飞行器反演滑模控制器的设计与仿真

针对当前四旋翼控制器姿态环与位置环强耦合和控制系统欠驱动问题,提出基于反演控制和滑模控制的非线性系统控制方法。通过对四旋翼飞行器动力学原理的分析,系统姿态环采用滑模变结构控制方法,利用指数趋近律减少该方法中存在的抖振现象,为了使飞行器得到稳定控制,系统位置环采用反演控制方法来得到预期效果,达到提高系统鲁棒性的目的。通过李雅普诺夫稳定性分析和在Simulink上搭建系统模型最终得出仿真结果并通过实际飞行实验,证明飞行器的姿态和位置都得到了稳定有效的控制。