三轴式无人旋翼飞行器及自适应飞行控制系统设计

设计了一种操控简便的三轴式无人旋翼飞行器,由三组共轴双旋翼组成,各旋翼由直流电机直接驱动,只需调节各电机转速就能控制旋翼飞行器运动姿态和轨迹。为使三轴式无人旋翼飞行器飞行控制系统设计得到有效验证,研究了旋翼飞行器的飞行动力学非线性建模,运用叶素动量理论建立了共轴双旋翼变转速旋翼载荷计算方法,分析了旋翼入流分布对共轴双旋翼气动载荷模型的影响,通过试验验证了共轴双旋翼气动载荷计算模型的正确性。由于旋翼飞行器飞行动力学模型的非线性及未建模动力学的影响,难于建立非常精确的数学模型,给飞行控制系统设计带来了挑战。本文根据旋翼飞行器飞行动力学非线性模型推导出了旋转动力学模型逆和平移动力学模型逆控制器,利用神经网络在线自适应修正模型逆误差,采用线性PD或PI控制器调节指令跟踪误差,应用由向心回转和垂直上升组合的机动科目进行了仿真验证,给出了具有外界阵风干扰模拟的仿真结果,表明所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现精确的轨迹跟踪控制。     

基于自适应的变形式陆空机器人转域过程飞行控制

针对一种变形式四旋翼陆空两栖机器人，研究空陆转域飞行控制方法，为实现陆空机器人从空中到地面的连续机动奠定了基础。建立了等效于变形式四旋翼陆空两栖机器人的飞行及转域系统结构模型和动力学模型，针对转域变形过程中转动惯量的改变及复杂飞行环境中负载变化和机体质量受损问题，在设计了基于线性二次型调节器（LQR）算法的姿态控制器和基于比例-积分-微分（PID）算法的高度控制器基础上，设计加入模型参考自适应系统（MRACS）解决模型参数不确定性问题。利用Adams/MATLAB联合仿真，首先得到空陆转域变形角度的极限值，然后对比仿真有无自适应补偿器的控制效果验证了该控制方法的高效性。研制了转域飞行样机，对空陆转域变形角度极限值和飞行控制方法进行了试验验证。     

飞机连续阵风载荷计算方法应用研究

描述了连续阵风载荷计算的方法及其应用。在紊流气动力、结构振动附加气动力、弹性力及惯性力的耦合作用下,通过在频域内联立求解结构振动方程,获得了响应量(位移、载荷)的频响函数。并依据民用飞机适航条例要求进行了垂向阵风载荷计算。     

基于CFD降阶模型的阵风减缓主动控制研究

飞行器飞行时会受到大气紊流的影响,降低飞行品质。阵风减缓控制是改善飞行器飞行性能的关键技术。现有的阵风响应分析多以离散阵风为研究对象,对更加真实描述大气紊流的连续型阵风时域分析关注较少。采用成形滤波器方法将频域形式给出的大气紊流信号转换为时域信号。在跨声速区域内,利用系统辨识技术,基于计算流体力学(CFD)方法建立阵风激励下的气动载荷状态空间降阶模型(ROM)。为方便控制器设计,借助平衡模态法进行模型的进一步降阶。使用模型预测控制(MPC)算法通过控制操纵面偏转实现阵风减缓主动控制。以AGARD445.6标模作为仿真算例,验证基于ROM设计的阵风减缓控制律的有效性。仿真结果表明,在跨声速飞行状态下,模型预测控制器能够在满足操纵面偏转范围的约束下,对连续阵风激励下的翼根弯矩输出进行有效抑制。     

运输机离散阵风载荷分析

依据CCAR-25-R4对离散阵风载荷设计的规范要求,开展了离散阵风载荷仿真分析,研究了商业软件ZAERO和Nastran在离散阵风载荷计算方面的吻合性。以T型尾翼布局的某支线客机为例,建立了相同的数学模型、选定了相同的仿真参数,分别采用商业软件ZAERO和Nastran进行了离散阵风动响应和动载荷计算。对比结果表明,对于算例飞机,亚声速情况下,ZAERO和Nastran软件在离散阵风载荷计算方面展现了良好的吻合性;大部件的载荷相差小,载荷相对误差的绝对值不大于3%。     

基于SVR的导航传感器自适应野值检测方法

针对Lagrange插值法无法处理连续野值的问题，提出了一种基于改进支持向量回归(Support Vector Regression, SVR)的导航传感器自适应野值检测方法。该方法结合了支持向量回归利用小样本数据就能够准确建模和3σ准则计算简易的优点，利用支持向量回归在线建立舰船的运动模型对测量值进行实时预测，并利用3σ准则自适应地计算阈值，然后通过比较阈值与预测残差来判别测量值是否为野值点。该方法可以自动地学习舰船的运动趋势，建立舰船的真实运动模型，而且不受连续野值点的影响，能够在没有其他传感器辅助的条件下完成野值检测。海试实测数据表明，提出的方法对离散和连续的野值点均具有较好的检测效果，同时可以更好地估计传感器的真实测量值。     

研发阶段涡扇发动机模型自适应方法

为了实现研发阶段涡扇发动机整机试验数据的快速评估和模型自适应,提出一种发动机模型自适应方法。该方法以整机试验数据为输入,结合气动热力过程约束方程和发动机整机匹配约束条件,重构出各部件的性能参数。文中提出了按照高压涡轮导向器喉部流通能力确定核心机流量的方法,并以载荷系数为媒介实现叶轮机械部件参数修正计算,完成了小涵道比涡扇发动机的自适应建模计算。计算结果表明,17个测量参数与计算结果完全一致,该方法完成单个状态点自适应计算的平均时间约为1.44ms,主要部件特性的修正系数在0.95～1.05。采用该方法计算的部件特性参数自适应修正系数可为发动机性能调试和故障诊断提供依据。     

基于自适应代理模型的气动优化方法

气动优化设计中,为了减少优化系统的计算周期,提高搜索效率,引入结构简单、计算量较小的代理模型,而运用有效的插值和选样方法(自适应选样)可以大大减少建立代理模型的时间。因此本文提出了一种基于自适应代理模型的气动优化方法。首先对自适应代理模型进行研究,建立了 Kriging 自适应代理模型和支持向量回归自适应代理模型,这两种自适应代理模型在相同样本点情况下比一般代理模型拥有更高的预测能力,然后将这其应用到翼型优化设计中,取得了良好的优化效果,从而表明这两种自适应代理模型不仅简单实用,而且明显提高了气动分析的计算效率。     

阵风减缓系统传感器失效影响研究

阵风减缓系统可以有效降低机翼的阵风载荷,然而由于系统本身以及失效模式中存在大量不确定性,极大地增加了设计和审定的复杂程度。通过蒙特卡洛方法研究了阵风减缓系统传感器卡死失效的影响,考虑阵风输入和失效传感器的不确定性,以通用运输机模型为算例,分别在时域和频域内对1-cosine离散阵风和冯·卡门谱连续湍流的翼尖加速度响应进行了仿真计算,给出了在系统正常工作和失效时翼尖加速度最大/最小值以及功率谱密度均方根的概率分布。为阵风减缓系统的适航符合性验证及审定中系统失效影响分析提供了指导方法和技术支持。     

增材制造阵风锁支座的装机应用研究

根据3D 打印技术的装机推进要求，在完成材料及工艺的验证后，即开始进行试片级增材制造材料许用值试验以及增材制造零件级试验。增材制造的零件由于其工艺特点，通常X-Y 方向与Z 方向力学性能有差异，与传统金属零件设计时各向同性的特点有差异，因此有必要在接近真实飞行状态下测试其力学性能。以增材制造阵风锁支座为例，计算飞机运营过程中最大载荷状态，选取最典型的载荷方向进行工装试验方案设计；在试验开始前，进行工程计算和软件仿真，预测失效模式和失效载荷。结果表明：软件仿真和工程计算的结果准确有效，增材制造钛合金阵风锁支座的力学性能稳定，能够承受极端工况的考验，满足装机要求。     

某高空长航时飞机垂直突风过载计算分析

应用离散突风模型和简化功率谱模型2种方法对某高空长航时飞机纵向突风刚体载荷进行了计算分析。计算结果表明,采用这两种方法计算结果相差60%以上,通过简要的理论分析指出,对于高空长航时类小翼载飞机,采用离散突风模型计算结果偏大,应采用简化功率谱模型或功率谱模型进行高空长航时飞机突风载荷的估算。     

Aeroelastic dynamic response of elastic aircraft with consideration of two-dimensional discrete gust excitation

Design loads generally require a one-dimensional discrete gust profile without consideration of the spanwise effect, and this profile cannot represent the true gust field exactly. For a high aspect ratio aircraft, two-dimensional gusts may cause critical load conditions, and approaches for calculating dynamic responses under two-dimensional discrete gust excitation are rarely presented. In this paper, a spanwise non-uniform vertical discrete gust field is established based on a one-dimensional ‘1-cos’ gust profile in reference to a DARPA proposal, while frequency and hybrid approaches to the dynamic response analysis of flexible aircraft under this two-dimensional gust excitation are presented. Solution techniques have been applied to a high aspect ratio aircraft to assess the different response characteristics with a comparison between one-dimensional and two-dimensional discrete gust field conditions. The results show that the two-dimensional discrete gust model produces a higher bending moment than that of the one-dimensional condition. Therefore, the critical load conditions that are derived from the two-dimensional discrete gust for high aspect ratio aircraft should be seriously considered. According to the analysis, an active control scheme to alleviate the bending loads caused by the two-dimensional gust is designed, and alleviation effects in different gust conditions are compared.     

一种基于随机优化算法的民用飞机突风动载荷重建方法

民用飞机突风载荷的准确重建对于飞行安全具有十分重要的意义。基于随机优化算法,提出一种突风动载荷重建方法。首先,基于频域气弹耦合方程,建立一个突风动载荷时域分析模型,其次,引入Hicks-Henne 型函数进行突风速度场的参数化建模,在此基础上,基于随机优化算法对各型函数参数进行迭代寻优,使得优化目标值与测量值一致,最终得到重建后的突风速度及对应的动态响应及载荷。最后,以GTA 模型经历1-cos 形状突风为例进行数值仿真。结果表明：本文提出的突风动载荷重建方法可有效实现突风速度场的识别,进而完成突风动载荷的重建;针对本文算例,过载最大误差为3.5%,载荷最大误差不超过1%。     

低速长航时无人机垂直突风过载分析

低速中空长航时无人机的升力非线性较强,利用标准离散突风模型和连续紊流模型计算得到的突风过载差别较大.针对该问题,本文采用改进的离散突风模型求解突风载荷,即直接求解突风条件下原始的运动学方程,并在运动历程中考虑非线性升力的影响.结果表明:改进的离散突风模型计算得到的突风载荷明显低于标准离散突风模型所得的载荷,更贴近无人机的实际情况,且改进的离散突风模型与连续紊流模型的计算结果也相近.     

Gust response analysis and wind tunnel test for a high-aspect ratio wing

A theoretical nonlinear aeroelastic response analysis for a flexible high-aspect ratio wing excited by harmonic gust load is presented along with a companion wind tunnel test. A multidisci-plinary coupled numerical calculation is developed to simulate the flexible model wing undergoing gust load in the time domain via discrete nonlinear finite element structural dynamic analysis and nonplanar unsteady vortex lattice aerodynamic computation. A dynamic perturbation analysis about a nonlinear static equilibrium is also used to determine the small perturbation flutter bound-ary. A novel noncontact 3-D camera measurement analysis system is firstly used in the wind tunnel test to obtain the spatial large deformation and responses. The responses of the flexible wing under different static equilibrium states and frequency gust loads are discussed. The fair to good quanti-tative agreements between the theoretical and experimental results demonstrate that the presented analysis method is an acceptable way to predict the geometrically nonlinear gust response for flex-ible wings.     

基于直接力控制的阵风响应及阵风减缓研究

考察某无人机模型的阵风气动响应特性和基于直接力操纵的阵风减缓效果.在求解非定常Euler方程时引入“网格速度”方法模拟阵风边界条件,通过动态嵌套网格技术实现舵面运动.首先对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了验证计算,计算结果与理论结果、文献计算结果吻合良好.在此基础上对某无人机模型在迎角阶跃型、One-minus-cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了数值模拟,并分析评估了不同舵面运动方式对飞机气动性能的影响.最终研究比较了不同舵面运动方式下阵风气动响应的减缓效果.结果表明:通过合理设计舵面运动,可以有效达到抑制阵风引起的非定常气动干扰的目的.     

灾害天气下大跨屋盖多模态随机离散风致响应研究

研究了具有空间相关性随机风荷载有色噪声过程的数学模型,讨论了用随机白噪声过程滤波生成脉动风荷载的方法。高阶振型对大跨屋盖随机风致响应的贡献不可忽略。本文根据模态解耦原理并结合精细时程积分法,提出了多模态随机离散精细积分法,推导了大跨屋盖风致响应与风效应系数的计算公式。通过大跨屋盖刚性和气弹模型风洞试验,计算了屋盖随机风致动力响应时程。同时研究了大跨屋盖的荷载风效应系数和位移风效应系数的分布情况,结果与有限元分析较吻合,验证了多模态随机离散精细积分法的正确性,证实了该方法是一种简便、快速、准确的大跨屋盖风致响应计算方法。     

临近空间太阳能飞行器着陆状态阵风响应

对临近空间太阳能飞行器着陆状态时的阵风响应问题开展了数值模拟研究。针对该类飞行器质量轻、柔性大、降落时速度低的特点,基于 CFD/CSD松耦合分析法,利用网格速度法引入阵风载荷。以 1-cos阵风模型为基础,探讨了飞行器着陆状态遭遇二维阵风载荷时,其翼尖位移、扭转角、翼根所受结构整体弯矩以及升力系数的变化特性;并将二维阵风响应结果与一维阵风响应结果进行对比;获得了临近空间太阳能飞行器着陆时,二维阵风沿飞行器翼展方向的变化对其结构和气动性能的影响规律。     

Application of Active Flow Control Technique for Gust Load Alleviation

A new gust load alleviation technique is presented in this paper based on active flow control. Numerical studies are conducted to investigate the beneficial effects on the aerodynamic characteristics of the quasi "Global Hawk" airfoil using arrays of jets during the gust process. Based on unsteady Navier-Stokes equations, the grid-velocity method is introduced to simulate the gust influence, and dynamic response in vertical gust flow perturbation is investigated for the airfoil as well. An unsteady surface transpiration boundary condition is enforced over a user specified portion of the airfoil’s surface to emulate the time dependent velocity boundary conditions. Firstly, after applying this method to simulate typical NACA0006 airfoil gust response to a step change in the angle of attack, it shows that the indicial responses of the airfoil make good agreement with the exact theoretical values and the calculated values in references. Furthermore, gust response characteristic for the quasi "Global Hawk" airfoil is analyzed. Five kinds of flow control techniques are introduced as steady blowing, steady suction, unsteady blowing, unsteady suction and synthetic jets. The physical analysis of the influence on the effects of gust load alleviation is proposed to provide some guidelines for practice. Numerical results have indicated that active flow control technique,as a new technology of gust load alleviation, can affect and suppress the fluid disturbances caused by gust so as to achieve the purpose of gust load alleviation.