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。     

基于反步法的矢量推力旋翼机建模及仿真研究

结合传统四旋翼无人机与可倾转旋翼机的特点,提出了一种具有矢量推力的四旋翼无人机。该无人机兼具传统四旋翼无人机垂直起降和悬停、可倾转旋翼机高机动性的优点,并可为其指定期望俯仰角和期望偏航角,使其具备了完成多元化任务的功能。控制系统采用分层设计的思想,上层为位置控制系统,下层为姿态控制系统,二者均采用反步法进行控制率设计。仿真实验结果表明,设计的控制系统可靠有效,矢量推力四旋翼无人机可以快速、精确地完成设想的机动动作。     

基于固定时间一致性的无人机集群构型变换

针对无人机集群需要在指定时间内完成构型变换的情况,研究了具有一阶积分特性的无人机集群构型变换固定时间一致性控制问题。基于一致性方法设计了编队控制协议,引入编队参考向量,并通过构造Lyapunov函数,证明了在通信拓扑连通条件下无人机集群系统能够实现固定时间一致性并完成期望构型变换。以四旋翼无人机为基础搭建实验验证系统,并进行二维飞行验证,实验结果证明了本文所提方法的有效性。     

飞翼无人机地面滑跑建模与航向控制

无人机在地面滑跑阶段的运动特性与空中飞行阶段不同,建立无人机在这一阶段的数学模型,对进一步研究实现无人机安全的自动起降有重要意义。以飞翼布局无人机为研究对象,对其进行详细的受力分析,建立了地面滑跑阶段的非线性数学模型;采用主轮不对称刹车与阻力方向舵协调控制的方案进行无人机滑跑时的航向控制,并在Matlab/Simulink平台上进行仿真,由仿真结果表明模型可用。     

低脉冲重复频率条件下无人机微动参数提取

针对低脉冲重复频率条件下的无人机微动特征提取问题,提出一种基于原子放缩正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit, OMP)分解的微动参数估计方法。首先,通过计算时频谱熵从无人机回波数据中筛选出具有显著微动特征的信号。其次,采用变分模态分解(variational modal decomposition, VMD)算法提取旋翼叶片的旋转频率,提出了基于原子放缩的OMP分解方法实现了对无人机旋翼叶片长度的估计。仿真实验表明所提方法相比于传统的OMP方法和VMD-OMP方法都具有明显优势。最后,采用实测数据验证了所提算法的有效性。     

考虑子系统执行能力的多无人机协同任务规划

任务分配是提高无人机运维效率的关键技术之一。针对子系统执行能力约束条件下的无人机蜂群协同任务分配问题, 提出一种融合拍卖机制的改进狼群算法。首先, 定义子系统能力矩阵以实现无人机异构性和任务执行能力的统一描述。其次, 对个体狼采用矩阵编码, 针对违反攻击次数的非可行解, 提出基于拍卖机制的修正策略, 以进行处理。然后, 在个体狼位置更新过程中融入遗传算法思想, 在探索阶段和围捕阶段分别进行相邻行交换操作和间隔列交叉操作, 以实现快速寻优。最后, 将第三优狼引入到狼群更新过程中, 从而增强种群的多样性。仿真实验结果表明, 所提方法能够有效求解子系统执行能力约束下无人机蜂群协同任务规划问题; 且相比于其他改进进化算法, 所提方法具有更好的寻优性与收敛速度。     

双系缆气球绳网系统抗风能力的仿真分析

为研究一种双系缆气球绳网系统的设计和使用的问题,在系统动力学模型的基础上对系统的抗风能力进行了分析。仿真出双系缆气球绳网系统在常值风作用下的空间姿态、受力状况,以及在典型风场作用下的动力学响应。分析了常值风的速度、风向对系统的影响,并研究了气球阻力系数、气球容积及气球蒙皮面积质量密度主要设计参数对双系缆气球绳网系统抗风能力、结构载荷的影响。仿真计算结果表明双系缆气球绳网系统具有较强的抗风能力,为系统的设计提供了依据。     

无人机轮式着陆横侧向控制

针对轮式起降无人机着陆过程横侧向控制存在的着陆安全性较低及抗风能力较弱的问题,提出了一种无人机着陆高安全性横侧向控制方案和控制结构。在常规的副翼和方向舵横侧向控制面配置条件下,采用在滚转角和偏航角精确解耦内回路控制的基础上,进行滚转和偏航的综合侧偏外回路控制方法,引入外回路对内回路的滚转角和偏航角指令限幅值随相对高度变化的机制,实现对无人机接地时侧偏距、侧偏速度、滚转角和偏航角的综合控制。对某型无人机的着陆横侧向控制进行设计及仿真,结果表明所提出的着陆横侧向控制能提高无人机的抗侧风能力,在侧风情况下着陆,可有效地将侧偏距、侧偏速度、滚转角和偏航角控制在安全范围内,所采用的着陆横侧向控制对无人机的气动参数摄动具有较强的鲁棒性,并且克服了常规控制中对相对高度信号误差要求高的缺点,在提高着陆安全性的同时,降低了对设备性能的要求。     

基于光流的固定翼小型无人机自主着陆控制

以固定翼小型无人机的自主着陆控制为研究背景,提出了一种基于光流的固定翼小型无人机自主着陆控制方法。该方法首先在分析固定翼飞行器着陆段运动特性的基础上,将着陆阶段的控制解耦为对飞行器的横向控制和纵向控制,然后以跑道线作为特征,计算其稀疏直线光流场,并结合摄像机模型以及光流场和速度场之间的关系,用跑道线的水平流作为系统反馈,设计控制系统。最后在Simulink环境下搭建动态仿真系统,仿真结果表明,使用本文方法可以有效实现飞行器的自主着陆控制。     

无人机着陆数学模型研究--三轮着地滑行

作为着陆过程的一个阶段,无人机在三轮着地滑行时的运动特性与空中飞行时的特性,以及仅主轮着地滑行时的运动特性有所不同。以国产某型号无人机为背景,根据牛顿第二定律对这一阶段建立了全量非线性模型,由于没有对刚体运动模型和气动数据做线性化处理,因此该模型比较准确反映该无人机的实际运行特性。在MATLAB/SIMULINK仿真环境下设计了该模型的仿真系统,仿真结果表明模型可用。     

基于串级LADRC设计的旋翼无人机航迹跟踪控制

针对复杂环境下,四旋翼无人机航迹跟踪精度易受风扰的影响,设计了串级线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)双回路控制系统。外环为位置回路,针对风扰采用3阶LADRC设计;内环为姿态回路,针对执行机构的动态特性,采用4阶LADRC设计。仿真对比串级LADRC和串级PID两种控制方法,结果表明,两种方法虽然都实现了四旋翼无人机航迹跟踪控制,但是在各种复杂风场扰动、内扰作用的情况下,串级LADRC能够克服复杂扰动的影响,精度更高、抗扰性更好、鲁棒性更强,且待整定参数不多,十分符合工程实际的需求。     

强横风对轿车气动性能影响数值分析

强横风对高速行驶轿车的操纵稳定性具有重要影响。建立5-9级强横风和不同车速条件下24个轿车参数模型,为减小阻塞效应选用合理的计算域并采用混合网格离散,采用K-ε双方程和速度压力SIMPLE耦合方法分析轿车气动特性,并与无横风时的气动特性进行比较,结果表明：5-9级强横风对不同行驶速度轿车的气动性能均具有较大影响;气动侧向力和横摆力矩会使轿车发生侧滑或偏离航向角;在9级横风作用下轿车的侧倾力矩随车速发生急骤变化,易造成车辆左右摇摆和侧翻,应及时发布风力预警。

Abstract：

Strong crosswind has important effect on automobile steering stability while its running speed is high. The 24 parameter models were set up under 5-9 grade crosswind and at different running speed. To reduce blocking effect rational computational zones were defined and meshed with hybrid mesh technology. Aerodynamic characteristics were analyzed by using k-ε double equation and SIMPLE method for velocity-pressure couple. Aerodynamic characteristics under strong crosswind were compared with those under no crosswind. Results show that 5-9 grade strong crosswind has great influence on aerodynamic characteristics of a sedan at different speed, and aerodynamic lateral force and yawing moment can make sedan sideslip or change course angle, and roll moment of the sedan under 9 grade crosswind varies with running speed quickly and it will make the sedan swing or rollover, and wind warning should be issued in time.     

海杂波背景下基于MBMC的低空风切变风速估计方法

当机载气象雷达在海杂波背景下探测低空风切变时,海杂波信号会覆盖低空风切变信号,造成风速无法准确估计。针对上述问题,提出了一种在海杂波背景下基于多波束多级联(multi-beam multi-cascade, MBMC)的低空风切变风速估计方法。该方法首先利用空时插值算法矫正机载前视阵海杂波的距离依赖性,然后对空间多波束联合时域三次滑窗后的输出再级联多普勒滤波器,构造得到降维变换矩阵,执行空、时域联合自适应处理,最后通过构造代价函数估计得到风场速度。仿真结果表明,在海杂波背景下本文方法可以实现风场速度的准确估计,且具有较好的稳健性。     

海杂波背景下基于MBMC的低空风切变风速估计方法

当机载气象雷达在海杂波背景下探测低空风切变时,海杂波信号会覆盖低空风切变信号,造成风速无法准确估计。针对上述问题,提出了一种在海杂波背景下基于多波束多级联(multi-beam multi-cascade, MBMC)的低空风切变风速估计方法。该方法首先利用空时插值算法矫正机载前视阵海杂波的距离依赖性,然后对空间多波束联合时域三次滑窗后的输出再级联多普勒滤波器,构造得到降维变换矩阵,执行空、时域联合自适应处理,最后通过构造代价函数估计得到风场速度。仿真结果表明,在海杂波背景下本文方法可以实现风场速度的准确估计,且具有较好的稳健性。     

欠驱动VTOL飞行器的位置反馈动态面控制

针对非最小相位欠驱动垂直起降飞行器系统,提出一种位置反馈动态面控制算法。首先设计高增益观测器,估计系统未知状态;然后采用动态面控制方法避免Backstepping设计存在的“微分爆炸”现象,同时简化控制律设计过程;最后采用Lyapunov直接法证明闭环系统所有信号一致有界,且跟踪误差通过调节控制器参数可以达到任意小。理论分析和仿真表明,所提方法能减轻计算负担,降低对系统状态的测量要求,实现飞行器位置准确跟踪,并对非线性建模的参数不确定性具有鲁棒性。     

欠驱动VTOL空间飞行器系统的非线性跟踪控制

研究了欠驱动VTOL(垂直上升和垂直着陆)空间飞行器在各种输入耦合时的非线性跟踪控制问题。VTOL空间飞行器是具有三个自由度,两个控制输入的欠驱动系统。首先,通过控制输入和坐标变换,系统的动力学方程被变换成二阶链式形式。其次,利用后推法(backstepping)的思想推导出保证系统渐近收敛于给定轨迹的时变反馈控制规律。该方法将系统分解为低阶子系统来处理,利用中间虚拟控制变量和部分Lyapunov函数简化了控制器的设计。仿真结果证明了所设计控制器的有效性。     

基于WLS-SVM的变速风力机有效风速估计

控制技术是大型变速恒频风力发电机组安全高效运行的关键。有效风速的精确估计可以提高风力发电机组的控制性能。由于风力机处于三维时变的风场环境中，风速在整个风力机旋转平面上分布不同，风速计测量得到的风速和整个风力机旋转平面所受到的有效风速有很大差别，因此有效风速是不能直接测量的。采用加权最小二乘支持向量机(WLS-SVM)对有效风速进行预估。仿真结果表明，该算法具有很高的估计精度，有效风速估计值能较好地跟踪有效风速的变化趋势。     

电网故障下双馈风力发电机控制改进与仿真

随着风电装机规模的不断增加,作为未来能源互联网中重要的一环,风电机组应对电网故障的能力越加显得重要。针对双馈风力发电机组在电网故障下的暂态特性,提出了一种基于电网故障类型区分、控制器设计和辅助设备穿越的综合控制策略。相比于传统的控制方法,克服了控制误差大和响应滞后的问题,真正实现了系统的精细化控制。基于MATLAB和VC++联合建模,利用MEX技术搭建了电网故障下的1.5 MW双馈风力发电系统模型,仿真结果验证了所提出的综合控制策略在电网故障下提高双馈风力发电机控制的有效性。     

侧风状况下轿车气动特性的仿真与实验研究

以获得适合计算侧风气动特性的湍流模型为目的,应用计算流体动力学方法对比了标准k模型、RNG k模型、Realizable k模型以及SST模型对不同横摆角状态下轿车气动特性仿真结果的影响。结果表明,当0时,采用Realizable k湍流模型仿真得出的阻力系数与实验结果最为吻合,误差仅为1.53%,侧力系数的仿真结果与理论分析更为吻合;当3～1 5时,采用Realizable k湍流模型仿真得出的阻力系数与实验结果相比误差最大为0.96%,侧力系数的仿真结果与实验结果趋势一致,误差最大也仅为4.9%。总之,Realizable k湍流模型能够很好的模拟侧风状态下车辆的气动特性,仿真结果为进一步分析车辆的侧风稳定性提供了参考数据。