一型国产无人机直升机铯光泵航磁系统补偿方法研究和试验

随着无人机平台的逐渐成熟,近年来无人机广泛应用于航空物探领域。文章设计了一型无人机航磁系统,采用国产铯光泵磁力仪,载机平台为100 kg级汽油动力无人直升机,基于直升机的操作特性研究了不同于固定翼飞机的定点悬停补偿方法。依据《航空磁测技术规范》进行了地面静态噪声测试、磁补偿飞行、动态噪声测试及切割线飞行。结果表明,采用定点悬停的磁补偿方法,系统的磁补偿精度、动态噪声水平及航磁总精度同样能够达到《航空磁测技术规范》要求的一类设备水平,且更易于操作,从而该航磁系统也可应用于大比例尺低飞航磁项目中。     

航磁补偿技术及补偿质量的评价方法

航磁补偿的目的是要消除飞机平台引入的干扰磁场,对于高精度航空磁探来说,磁补偿质量直接制约了探测效果。文章按照航磁补偿的执行步骤进行了飞机平台磁干扰建模、模型参数求解方法、补偿飞行方案。另外,为了对补偿飞行的质量进行有效控制,采用量化指标对磁补偿效果进行评价,判定补偿效果的优劣。最后,基于 MFC软件平台开发了航磁补偿系数求解及补偿质量评价软件。     

三轴矢量原子磁力仪综述

原子磁力仪可分为标量磁力仪和矢量磁力仪两大类。标量磁力仪的测量结果与传感器的姿态无关,对平台的机动不敏感。矢量磁力仪能够获得更多的磁场信息,可以实现更精确的磁源定位。目前,共有7种三轴矢量原子磁力仪,测量方法分别为磁场扫描法、磁场旋转调制法、磁场轮流抵消法、磁场投影法、磁场交叉调制法、磁场分立调制法和自旋进动调制法。重点对上述7种三轴矢量原子磁力仪的测量方法进行了整理和分析。     

航空磁探中水下目标三维积分方程磁场建模

为获取航空磁探中水下铁磁性目标的空间磁场分布,通过三维积分方程法的基本原理推导出空间磁场的解析式,根据矢量恒等式和高斯散度定理简化空间磁场计算式,建立水下铁磁性目标空间磁场预测模型。通过铁磁性长方体对模型进行理论验证,使用铯光泵磁力仪测量铁磁性长旋转椭球体的高空磁场;然后,基于预测模型推算铁磁性长旋转椭球体的磁场,根据实际测量的磁场数据和预测值进行比较。结果表明,预测模型的推算精度较高,平均绝对误差为0.320 5 nT,平均相对误差为12.368%。     

三维捷联磁传感器误差分析及补偿

磁传感器在导航系统中的应用日益广泛。在车载导航系统工作环境中,外界干扰磁场复杂,严重影响了磁航向测量的精度。因此对磁航向进行适当的罗差补偿是提高磁航向测量精度的有效途径。文中介绍了用磁传感器进行磁航向测量的原理,分析了由于磁场矢量叠加产生的罗差,提出了基于傅立叶级数的罗差模型和补偿方法。工程实践表明,上述方法的使用收到了较好的效果。     

基于热磁耦合分析的高性能磁屏蔽系统设计

近零磁工作环境是实现无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋惯性测量装置的必要条件,但在实际中由于装置内部气室加热和环境温度变化引起的磁屏蔽性能变化是影响系统性能的一个主要因素。基于热-磁耦合理论建立了惯性测量装置的有限元分析模型,对加热条件下磁屏蔽筒内磁场均匀性及其剩余磁场进行了分析。结果表明,气室加热至200℃时,附近温度场对磁屏蔽筒内部磁场梯度的影响较小可以忽略,但磁屏蔽筒内部剩磁相比数值解增加了0.09nT。同时基于上述模型对磁屏蔽材料的温度稳定性进行了研究,当采用高温稳定磁屏蔽材料时,惯性测量装置的长期稳定性有所提高,但磁屏蔽效能会降低。该研究为高性能磁屏蔽筒的热磁耦合误差及磁屏蔽材料性能的研究提供了理论与方法支撑,同时也为SERF原子自旋惯性测量装置的研制提供了有力的技术保障。     

原子磁力仪的空间应用及发展趋势

在太空探索中,磁场测量为很多重要的科学研究提供了数据支撑。空间探测器和磁测卫星均多次采用原子磁力仪作为磁场测量的主载荷,原子磁力仪在空间磁场测量中发挥着不可替代的作用。回顾了用于空间磁场测量的原子磁力仪的发展历程,总结了不同种类原子磁力仪的技术特点,分析了空间应用原子磁力仪载荷的发展趋势。     

一种无人机罗差修正方法

栽体磁场的干扰是导致地磁导航精度较低的主要因素,在对无人机载体磁场干扰地磁场产生的地磁测量误差简要分析的基础上,将小姿态时地磁匹配导航采用的12系数误差补偿模型引入一种无人机地磁定向导航的罗差修正.在静态条件下,利用无磁转台分别获取无人机在±30°姿态角范围内有无干扰源的磁测数据.实验数据分析表明,通过补偿,栽体航向角在±5°范围内其误差均方差由2.174°下降到0.350°,其余角度下航向角误差均方差则由2.282°下降到0.732°,满足无人机在大角度姿态飞行时航向稳定度优于±3°的要求.     

航空磁探中潜艇磁场建模方法分析

为提高航空磁探中潜艇磁场模型精度,分析现有潜艇磁场建模方法,对边界积分法、有限元法、积分方程法、磁体模拟法等主要潜艇磁场建模方法的基本原理和推导过程进行分析。通过数值分析比较各方法的建模精度,最后归纳潜艇低空磁场建模方法的基本要点。     

霍尔推进器磁屏蔽对磁场的优化效应研究

为研究磁屏蔽对霍尔推进器磁场位形分布的影响，以轴对称环形霍尔推进器为研究对象，采用FEMM软件对各种磁屏蔽情况下的磁场分布进行仿真；结合流体模型，利用四阶龙格库塔方法对放电通道内各粒子的输运性质进行研究。结果表明：内外磁屏蔽材料高度变化时磁场位形存在最优分布；电子温度在放电通道出口附近达到最大值，约64eV。离子化频率和电子轴向有效散射频率峰值也出现在通道出口附近。     

A method for aircraft magnetic interference compensation based on small signal model and LMS algorithm

Aeromagnetic interference could not be compensated effectively if the precision of parameters which are solved by the aircraft magnetic field model is low. In order to improve the compensation effect under this condition, a method based on small signal model and least mean square（LMS） algorithm is proposed. According to the method, the initial values of adaptive filter＇s weight vector are calculated with the solved model parameters through small signal model at first,then the small amount of direction cosine and its derivative are set as the input of the filter, and the small amount of the interference is set as the filter＇s expected vector. After that, the aircraft magnetic interference is compensated by LMS algorithm. Finally, the method is verified by simulation and experiment. The result shows that the compensation effect can be improved obviously by the LMS algorithm when original solved parameters have low precision. The method can further improve the compensation effect even if the solved parameters have high precision.     

涵道式垂直起降固定翼无人机过渡走廊研究

过渡走廊的准确描述对垂直起降固定翼无人机飞行过程具有重要意义。为研究垂直起降固定翼无人机的过渡飞行过程,扩大过渡飞行走廊包线,本文建立此类无人机的过渡走廊模型,从飞行力学角度以机翼最大升力系数和系统可用功率对动力增升系统偏角—速度包线进行研究,分析无人机气动参数和功率参数对动力增升系统偏角—速度包线的影响;根据过渡走廊...     

Formation flight of fixed-wing UAV swarms: A group-based hierarchical approach

This paper investigates a formation control problem of fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV) swarms. A group-based hierarchical architecture is established among the UAVs, which decomposes all the UAVs into several distinct and non-overlapping groups. In each group, the UAVs form hierarchies with one UAV selected as the group leader. All group leaders execute coordinated path following to cooperatively handle the mission process among different groups, and the remaining followers track their direct leaders to achieve the inner-group coordination. More specifically, for a group leader, a virtual target moving along its desired path is assigned for the UAV, and an updating law is proposed to coordinate all the group leaders’ virtual targets; for a follower UAV, the distributed leader-following formation control law is proposed to make the follower’s heading angle coincide with its direct leader, while keeping the desired relative position with respect to its direct leader. The proposed control law guarantees the globally asymptotic stability of the whole closed-loop swarm system under the control input constraints of fixed-wing UAVs. Theoretical proofs and numerical simulations are provided, which corroborate the effectiveness of the proposed method.     

基于能量优化的无人机机动轨迹生成方法

基于能量优化的无人机机动能够使无人机在不失去决定性位置优势的情况下获取相对于对手的能量优势，足够的能量优势可转换为有效的位置优势，有利于无人机在空战中随时改出当前机动并投入下一机动动作，对于无人机获取空战胜利至关重要。开展了基于能量优化的无人机机动轨迹生成方法研究，通过在无人机机动飞行包线内设计合适的机动指令，使得无人机能量性能指标最优。以上升转弯机动为例进行了机动轨迹生成的详细设计，并与常规上升转弯机动轨迹生成结果进行对比，仿真结果显示所设计的机动动作完成时间缩短了28.6%~83.8%，总能量变化减少了64.7%~70.1%，实现了无人机机动飞行的能量优化。     

Small Signal Compensation of Magnetic Fields Resulting from Aircraft Maneuvers

Tolles and Lawson identified three permanent, five induced, and eight eddy-current fields as sources of magnetic interference associated with airframe maneuvers. Small signal approximations are used here to separate the eddy-current terms and thus decouple the sixteen equations into two sets of eight equations. It was found that a singularity exists in the small signal equations for the permanent and induced terms. This causes an ambiguity amoung three of the coefficients which can be resolved mathematically by resorting to large maneuvers. Flight test data exhibit a large amount of magnetic hysteresis and the magnetic anomality detector (MAD) equipped aircraft will not remain compensated from one flight to the next. This complicates the problem of resolving the dip angle ambiguity. Furthermore, significant differences exist in the compensation terms as determined from manual pilot maneuvers and the terms when the maneuvers are performed by the automatic pilot. This has been attributed to differences in altitude stability and the frequency content of the maneuvers. It was found that both optimal frequency filtering and altitude compensation can be used to improve the figure of merit (FOM) resulting from pilot maneuvers.     

基于深度强化学习的无人机栖落机动控制策略设计

无人机栖落机动飞行是一种无需跑道的降落方法，能够提升无人机在复杂环境下执行任务的适应能力。针对具有高非线性、多约束特性的无人机栖落机动过程，提出了一种基于模仿深度强化学习的控制策略设计方法。首先，建立了固定翼无人机栖落机动的纵向非线性动力学模型，并设计了无人机栖落机动的强化学习环境。其次，针对栖落机动状态动作空间大的特点，为了提高探索效率，通过模仿专家经验的方法对系统进行预训练。然后，以模仿学习得到的权重为基础，采用近端策略优化方法学习构建无人机栖落机动的神经网络控制器。最后，通过仿真验证了上述控制策略设计方法的有效性。     

类X?47B无人机菱形编队气动干扰数值模拟

设计了一种由4架类X?47B飞翼布局无人机（UAVs）组成的菱形编队。通过求解RANS方程的数值模拟方法,研究了菱形编队无人机气动干扰问题,详细分析了影响机理,定量给出了编队减阻效果。计算结果表明:头机气动性能基本保持不变。两侧僚机受上洗气流影响,其减阻效果明显。尾机主要受下洗气流影响,其阻力增大,对编队久航和远航不利。在重力配平条件下,两侧僚机飞行阻力的减小是由攻角减小和诱导阻力减小共同引起的。尾机在编队中飞行阻力的增大主要是攻角增大带来的阻力增加,诱导阻力增大仅带来了20%的阻力增量。从减小下洗气流对尾机的不利影响出发,对不同垂向间距的尾机升阻特性进行了研究,并参考雁群头鸟变换行为机制,给出了无人机菱形编队飞行建议。      

考虑输入饱和的固定翼无人机自适应增益滑模控制

针对复杂环境下的固定翼无人机飞行控制问题，考虑输入饱和以及复杂外界干扰的影响，提出一种基于自适应滑模控制方法的固定翼无人机飞行控制策略。首先，对固定翼无人机模型进行介绍，将模型分为姿态子系统和速度子系统；其次，针对姿态子系统和速度子系统的特点以及控制需求，分别采用自适应多变量螺旋滑模和自适应快速超螺旋滑模设计姿态控制器和速度控制器，该策略无需设计干扰观测器对外界干扰进行估计，仍然可以实现固定翼无人机对姿态参考指令和速度参考指令的有限时间精确跟踪，并基于Lyapunov的稳定性分析方法证明了闭环系统的稳定性。最后，对本文所提出的控制策略进行了仿真验证，结果表明该控制策略具有良好的控制性能。     

无人机磁航向测量的自动罗差补偿研究

 利用地球磁场测量无人机的航向时，需要对机上铁磁材料引起的罗差进行补偿。为了降低补偿费用,减小补偿试验时周围环境的影响，提出一种利用飞机左右盘旋飞行时采样数据实现罗差自动补偿的方法。采用椭圆假设算法，可利用飞机平飞时在多于5个不同方向的采样数据来自动补偿平飞时的罗差。在任意姿态飞行时，把飞机左右盘旋时采样的数据分解为4个椭圆，并求出它们相对于椭圆假设的24个系数。再利用这24个系数和飞机的俯仰角、倾斜角以及地磁场垂直分量求出任意姿态下罗差补偿所需的12个系数。实验结果表明，该方法效果良好，方便可行。某无人机补偿前最大误差为21.5°；用传统方法补偿后最大误差为2.3°；用本文方法几乎不需要额外的费用，补偿后最大误差为1.6°。     

基于遥测数据的无人机气动参数辨识方法研究

针对无人机在高空低速飞行时易受风场影响及在数据分析时遥测数据不完备的问题,进行了气动参数辨识方法研究,提出了基于空速管平面矢量三角形的风场估计方法及基于风场信息修正的气动角估计方法。以某型无人机为例,对遥测数据进行了充分分析与信息综合,运用逐步回归方法进行了纵向气动参数辨识,并进行了实验验证。结果表明,模型计算结果与实测数据吻合较好,说明所提方法有效。考虑到辨识模型的数学本质,该方法对其他固定翼无人机同样适用。