太阳能/氢能无人机总体设计与能源管理策略研究

针对小型低空长航时电动无人机需求,给出了太阳能/氢能混合能源动力系统集成方案和小型低空长航时无人机构型。针对典型任务剖面,综合考虑太阳能电池和氢燃料电池特性,提出了一种考虑全机重量能量耦合关系的总体设计方法和任务剖面驱动的能源管理策略;建立了能源系统模型,给出了能源控制流程,开发了能源管理仿真平台。以1.5 kg任务载荷为例,完成了无人机总体方案设计,仿真分析了各种能源特性对飞行结果的影响。结果表明:能源管理策略能够根据任务剖面的要求合理配置能源系统的功率,满足各阶段的功率需求;无人机在冬至日航时为21 h、夏至日可实现跨昼夜飞行;在能源系统重量相同情况下,该混合能源无人机的航时分别是纯锂电池无人机和燃料电池无人机的5.5倍和1.2倍。     

多太阳能无人机覆盖路径优化方法

为解决传统电动无人机在覆盖作业时存在的续航时间短的问题,提出应用多架太阳能无人机进行覆盖作业。首先,在建立了应用于覆盖作业的太阳能无人机的能量模型的基础上,提出了能量流动效率这一指标来评价太阳能无人机在作业过程中对能量的利用率。其次,针对边界存在障碍物的凹多边形区域和内部含障碍物的多边形区域,以总作业完成时间最短为优化目标,提出基于无向图搜索方法的覆盖路径优化模型,定义约束方程限制无人机按照一定规则访问无向图中的节点,通过混合整数线性规划的方法求解每架无人机的最优飞行路径。再次,考虑无人机转弯时的姿态变化对能量流动效率的影响,将总作业完成时间最短和总能量流动效率最高同时作为优化目标,建立双目标优化方程,在首先以作业时间最短为优化目标进行求解的基础上,通过有限遍历的方式选择使能流效率和作业时间相对最优的覆盖飞行方向及飞行路径。大量仿真实验表明,所提的优化模型选取不同的优化目标,应用于不同形状的待覆盖区域,适用性广,在工程上应用范围广、可行性强。     

考虑局部遮挡的太阳能无人机能源控制

针对太阳能无人机在飞行状态下可能出现的太阳能电池局部遮挡情况，开展相应的太阳能电池最大功率点追踪算法和能源控制研究。通过将发光亮度引入相对吸引力计算过程对萤火虫算法进行改进，实现了局部阴影情况下太阳能电池最大功率点的高效追踪。以此为基础，设计了考虑局部遮挡情况下太阳能无人机的太阳能电池/蓄电池混合能源状态机控制规则。以"蒲公英I"无人机为例，建立了太阳能电池阵列模型，开展了考虑局部遮挡情况下太阳能电池最大功率点追踪仿真实验；基于"蒲公英I"飞行剖面，开展了考虑局部遮挡情况的混合能源控制仿真试验。研究结果表明：改进的萤火虫算法可以实现在局部阴影情况下太阳能电池最大功率点的有效跟踪，与萤火虫算法相比收敛时间更短、且功率波动幅度更小；采用改进萤火虫算法和状态机能源管理策略，在考虑局部遮挡的飞行状态下可以实现太阳能电池/蓄电池之间的合理功率分配与控制。     

基于Stateflow的 无人机多模态控制转换逻辑设计

针对基于Simulink建立的无人机飞行管理系统存在逻辑复杂、全飞行状态航迹仿真建模繁琐等缺点,文章利用有限状态机建立无人机全状态、多种导航控制模态下的控制和逻辑切换流程,并结合飞行管理系统、飞行控制系统和无人机运动学模型建立无人机全状态仿真系统,通过仿真对飞行工作模式的切换效果进行了验证。     

太阳能无人机能源系统的初步设计方法

正太阳能无人机与燃料无人机、电动无人机的最根本区别在于能源系统,因为太阳能无人机在空中飞行过程中仅依靠太阳能电池阵列转换太阳光照辐射能来产生电能,而不用中途降落添加燃料或为电池充电,可以实现超长时间的空中巡航,在军事及民用领域都有很广阔的应用前景。太阳能无人机的能源系统直接影响全机的输出功率和质量,主要由太阳能电池阵列、锂电池、最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制器等部分     

燃料电池无人机能源管理与飞行状态耦合

开展了燃料电池/锂电池（简称燃锂）混合动力无人机的能源管理与飞行状态耦合研究。综合顶层飞行任务规划与底层能源系统管理，以动力系统模型为耦合点联立能源系统与无人机运动方程，建立能源状态与运动状态耦合模型。针对燃锂混合最紧密的爬升过程，以迎角、转速和燃料电池的放电功率作为控制变量，建立了燃料消耗最小的能源管理与航迹规划耦合最优控制问题，研究不同爬升高度对最优控制过程的影响，并与模糊控制能源管理策略进行对比分析。针对大功率短时爬升和小功率长时巡航的典型任务特点，建立了燃锂最优混合问题。研究了最优的锂电池容量和燃料电池功率水平的混合量，以及爬升和巡航两阶段最优功率分配和飞行状态，分析了不同巡航目标高度对最优混合量和飞行状态的影响。结果表明：采用能源与航迹耦合的最优控制策略在给出最优功率流分配的同时，能够很好地兼顾飞行状态控制；对燃锂混合和飞行状态的综合优化可以有效地处理爬升和巡航阶段的能源需求矛盾，在给出最优燃锂混合量和飞行状态的同时，降低整个任务过程的燃料消耗。     

轮式起降无人机滑跑起飞阶段动力学仿真研究

无人机地面滑跑起飞阶段是飞行过程中的危险阶段,其受力情况复杂,动力学特性与空中飞行时略有不同。以某轮式起降无人机为研究对象,根据起落架的机械特性和几何关系将起落架等效为一个弹簧阻尼系统,并在Matlab/Simulink中集成无人机本体、起落架、发动机、舵机、控制系统等模型,建立的仿真平台模拟无人机滑跑起飞全过程。结果表明:该轮式起降无人机在滑跑起飞过程中压着机头滑跑,始终对准航向,滚转姿态变化很小;在大油门推力作用下无人机增速较快,抬前轮后瞬间主轮离地,并以稳定的速度爬升,较短时间内可以到达安全高度。     

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...     

小型无人机动力装置建模与仿真研究

针对小型无人机广泛使用的二冲程活塞式航空发动机螺旋桨动力装置,研究了发动机的速度、高度特性及定距螺旋桨的拉力系数、功率系数及效率随前进比变化等问题,建立了二冲程活塞式发动机螺旋桨动力装置模型。动力装置模型应用于无人机非线性飞行仿真平台中,进一步研究了无人机风门-高度、升降舵-速度保持/控制等问题,结果表明动力装置模型合理可行,满足小型无人机飞行控制仿真的要求。     

太阳能无人机能源系统的关键技术与发展趋势

作为探索临近空间领域的新兴飞行器，太阳能无人机（SUAV）在性能、技术及任务航时均呈现出不同于传统飞行器的新特点。其中，太阳能无人机能源系统的比能量、比功率是影响飞机整体性能的核心因素。因此，本文首先对太阳能无人机的太阳电池、储能电池的发展现状进行了阐述，然后针对能量获取多元化、能源系统管理高效化、能源载荷一体化方向对太阳能无人机能源系统的未来发展趋势进行了展望。     

基于神经网络补偿动态逆的飞翼布局无人机姿态控制方法

将动态逆控制技术应用于飞翼式布局无人机的姿态控制回路,以适应飞翼布局无人机控制系统要求。介绍了动态逆控制器解耦控制原理,以及神经网络补偿结构的作用和设计方法,并基于无人机非线性姿态运动学和动力学模型设计了基于神经网络补偿的动态逆控制器。在强耦合、强非线性的飞翼布局无人机模型上,通过数学仿真验证了系统具有良好的动态性能和稳态特性,控制器具有很强的鲁棒性。     

弹性飞翼无人机鲁棒姿态控制设计

针对大展弦比飞翼布局无人机的刚体运动与弹性运动耦合动力学模型,提出了一种基于反步法的鲁棒非线性控制方法。该方法考虑了飞翼无人机的非线性因素,将动态面反步控制作为内环控制抵消系统的非线性因素;同时考虑系统实际存在的弹性耦合项、参数不确定项以及外部扰动,将内环反步控制与飞翼无人机模型整体作为新的被控对象,引入最优化理论对新的被控对象设计了外环鲁棒控制器。仿真结果表明,所提出的控制器不仅满足飞翼无人机姿态跟踪性能的要求,且对模型不确定性和气动弹性影响具有鲁棒性。     

飞翼布局无人机反演自抗扰姿态控制

针对飞翼布局无人机模型强非线性、大不确定性及多变量强耦合等问题,设计了基于块控反演控制技术的姿态控制律,并采用自抗扰控制中的线性扩张状态观测器实现了对模型总不确定性的估计。为解决因阻力方向舵舵效非线性以及舵环节指令跟踪延迟造成控制系统动态性能下降的问题,采用函数拟合法解算阻力方向舵舵偏指令,并利用二阶振荡环节对观测器进行抗时滞处理。仿真结果表明,所设计的姿态控制律能够使飞翼布局无人机准确跟踪姿态指令,并具备较强的鲁棒性与良好的动态性能。     

基于LADRC的无人直升机轨迹跟踪

无人直升机轨迹控制系统是对多输入/多输出强耦合非线性系统进行解耦控制的系统。为解决无人直升机轨迹控制效果依赖于直升机物理参数的测量和辨识精度以及外部扰动大小问题,提出了一种基于线性自抗扰控制(LADRC)的多回路无人直升机轨迹控制系统。首先建立无人直升机X-Cell的飞行动力学模型,并引入风切变、大气紊流和突风模型以更加准确模拟真实飞行环境;然后对X-Cell进行配平计算以验证动力学模型和配平算法的准确性,并选取一组配平值作为轨迹控制仿真的初始状态和操纵量;随后根据被控量的动力学方程阶次选取对应的一阶和二阶LADRC基本控制器,并结合时间尺度原理,自内向外依次构建无人直升机的姿态、速度和位置控制回路,将三回路串联从而建立了无人直升机轨迹控制系统;而后进行了稳定性分析,特征根计算结果表明轨迹控制系统镇定了X-Cell开环系统不稳定的动态特性;最后将该控制系统应用于各种扰动下直升机轨迹跟踪仿真,结果表明本文无人直升机轨迹控制系统能很好地实现带爬升率的"8"字形轨迹跟踪,且相比于基于比例积分和微分(PID)控制的轨迹控制系统,该控制系统具有更优的鲁棒性和抗扰性。     

高超声速飞行器有限时间耦合模糊控制

针对高超声速飞行器的角度与角速度子系统间的耦合控制问题，提出了一种基于耦合特性评价的有限时间模糊控制方案。首先，针对高超声速飞行器的动力学模型，并且考虑到与工程实际相结合，将舵系统引入到动力学模型中，建立了相对完善的动力学模型，通过引入期望指令，建立了面向控制的动力学误差模型。其次，在控制律设计上采用终端滑模设计了有限时间控制器，同时在耦合评价的基础上，为了解决系统对耦合的适应性以及耦合的抖振问题采用了模糊控制方法，并借助于干扰观测器解决外部干扰问题。采用李雅普诺夫稳定性理论证明了所设计的控制律是有限时间稳定性的。在数字仿真过程中，充分考虑了舵系统特性、气动拉偏、控制输入抖动等因素，仿真结果表明该方法是有效的。     

无人机绳钩回收系统的动力学特性仿真分析

无人机(UAV)精确定点回收是促进中小型无人机广泛应用的关键技术,而绳钩回收是一种适合小型固定翼无人机在狭窄场地或舰船上实现精确定点回收的先进回收方式,其具有良好的研究应用价值和开发前景。采用基于矢量封闭环、欧拉运动学和动力学方程的联立约束法,解决了无人机绳钩回收系统的空间机构运动的动力学求解问题。基于无人机绳钩回收系统动力学模型,对无人机回收时系统吸能缓冲过程中的动力学特性进行了深入分析。在MATLAB/Simulink环境中通过对动力学模型的仿真,得出以无人机速度变化为代表的系统主要性能指标,同时探讨了参数变化对系统主要性能的影响,并分析了回收过程中拦阻力峰值载荷下的机翼应力和应变。结果表明,无人机绳钩回收性能优良,是一种可开发研制的新型回收技术,为开展无人机绳钩回收系统的工程研制提供了重要的理论参考。     

Safety modeling and simulation of multi-factor coupling heavy-equipment airdrop

Heavy-equipment airdrop is a highly risky procedure that has a complicated system due to the secluded and complex nature of factors＇ coupling. As a result, it is difficult to study the modeling and safety simulation of this system. The dynamic model of the heavy-equipment airdrop is based on the Lagrange analytical mechanics, which has all the degrees of freedom and can accurately pinpoint the real-time coordinates and attitude of the carrier with its cargo. Unfavorable conditions accounted in the factors＇ models, including aircraft malfunctions and adverse environments, are established from a man-machine-environment perspective. Subsequently, a virtual simulation system for the safety research of the multi-factor coupling heavy-equipment airdrop is developed through MATLAB/Simulink, C language and Flightgear software. To verify the veracity of the theory, the verification model is built based on dynamic software ADAMS. Finally, the emulation is put to the test with the input of realistic accident variables to ascertain its feasibility and validity of this method.     

影响螺旋桨式无人机安全发射的诸因素

根据无人机的零长发射原理,通过多个型号的发射仿真计算和发射试验分析,详细探讨了影响无人机安全发射的固有参数和外部参数,总结出影响螺桨式无人机安全发射的主要因素有：单发螺旋桨的反扭矩,火箭推力线相对重心的位置,火箭安装角,机体发射角,舵机死区及发射环境等。最后,以发射安全高度、速度、过载为约束条件,给出了火箭总冲、推力线位置、火箭安装角、机体发射角、发射风向和风速等参数的确定方法,该方法对保证无人机     

基于AMESim的涡扇发动机控制系统 综合仿真

以AMESim为平台,采用模块化的设计方法,分别建立航空发动机、传感器、燃油系统、电子控制器和执行机构数学模型.将模块封装打包建立涡扇发动机控制系统模型库,并将之组成为完整的发动机及调节器系统综合仿真平台.以主燃油控制系统为例,介绍了各仿真模块的建立过程,仿真结果表明,系统模型能反映各子系统之间的复杂集成和耦合关系,利用系统模型仿真进行组合优化能够有效提高系统性能.      

基于改进A-Star算法的隐身无人机快速突防航路规划

针对现代战争中隐身无人机（UAV）在高严密的组网雷达防御体系下的生存及突防问题,提出了基于改进A-Star算法的隐身无人机战区突防航路规划技术。首先对隐身无人机突防过程进行了分析建模,分别建立了隐身无人机的运动学模型、动态雷达散射截面特性和组网雷达探测概率的计算模型。然后针对传统算法在解决隐身突防问题时的不足,充分考虑所规划航路时的快速性和安全性要求,设计了改进A-Star算法。在算法中引入了多层变步长搜索策略和无人机的姿态角信息,结合秩K融合准则,通过每段航迹上隐身无人机被组网雷达系统的发现概率来判断新航迹点的可行性。仿真结果表明,改进A-Star算法能够在复杂的组网雷达系统下快速生成更优的战区突防航路,具有一定的应用价值。