电动固旋翼无人机动力系统建模与优化设计

为解决电动固定翼四旋翼复合布局无人机(eHAV)动力系统设计选择缺乏相应理论方法的问题,提出了一套动力系统的建模和优化设计方法。通过推质比计算提出了动力系统需求,利用螺旋桨和旋翼理论建立了螺旋桨的设计和性能计算模型,通过统计分析和1阶电动机模型建立了无刷直流电动机的计算模型,通过电动机与电池电压、电流之间的关系建立了电池选择方法,在经过电压修正的放电特性经验公式基础上建立了无人机航时计算方法。根据动力系统匹配方法,建立了动力系统优化设计流程。对某电动固旋翼无人机动力系统进行了优化设计和选择,结果表明:所建螺旋桨和旋翼模型计算结果与CFD结果的误差在10%以内,电池放电模型与试验数据的拟合度在0.97以上,飞行测试结果表明所提方法选择的动力系统使得无人机航时测试值与设计值误差小于4%,证明了该方法有较高的准确性和可行性。      

小型电动无人机航程航时估算模型

小型电动无人机通常采用锂电池、无刷电机和螺旋桨组成能源动力系统,飞行过程中锂电池的实际工作电压发生变化,但飞机的总重量不变,其航程航时的估算方法与传统的燃油飞机有所不同。为了准确评估动力系统对飞机设计的影响,建立了以锂电池为动力的电动飞机推进系统模型,通过与实验数据比较,验证了各部分模型的准确性。利用该动力系统模型,对某款小型电动无人机进行了航程和航时估算,结果表明本文的建模方法准确有效,航程航时估算接近实验数据,可作为小型电动无人机设计的重要参考。     

小型电动无人机动力系统设计和优化

小型电动无人机由于使用维护方便,可靠性高,噪声小,无污染等特点,具有较高的应用价值。然而电池的能量密度远低于燃油,动力系统在起飞重量中占较大比重,在初始设计中就需要准确估算动力系统重量和性能,以保证续航性能。通过建立动力系统中电池、无刷电机和调速器、螺旋桨三个部分的数学描述,提出动力系统的性能估算和设计方法,以及优化准则。实验表明,方法具有一定精度,可以为无人机的初步设计和动力系统选择提供依据。     

电动飞翼布局无人机设计研究

为改善无人机起降和续航性能,对采用正弯度翼型的飞翼布局电动无人机进行计算研究.建立了无人机重量模型,机翼通过后掠、几何扭转以及襟翼、升降副翼的合理配置以减小纵向配平阻力,确定了一架航时为4h的飞翼布局小型手掷电动无人机的总体参数.分别以航时和重量尺寸为算例目标,使用遗传算法对无人机总体参数进行优化.计算结果表明:相对于反弯度翼型,使用正弯度翼型的飞翼布局无人机能减小无人机重量和尺寸,延长留空时间.     

电机-变距螺旋桨动力系统功率优化控制

电动螺旋桨无人机应用越来越普及,但普遍续航时间较短,提高电动力系统效率、降低功率消耗是提高航时的主要措施。电机-变距螺旋桨动力系统（以下简称变距电动力系统）可同时改变转速、桨距两个量,存在桨距和转速的最佳组合,使系统功率最小。相比电机-定距螺旋桨动力系统,其在耗能方面具有特殊优势,但如何达到最小功率点,目前研究较少。针对上述问题,为提高计算效率,便于控制研究工作的开展,首先基于改进天牛须算法的BP神经网络训练得到变距电动力系统的神经网络代理模型。接着提出了一种变距电动力系统功率优化控制策略：在一定入流速度、拉力需求下,基于自适应扩展卡尔曼滤波-牛顿法实时优化桨距,并在一定桨距下利用模糊PID控制系统转速以达目标拉力,实现目标拉力需求下的最小功率控制。仿真验证结果表明,提出的功率优化控制策略鲁棒性更强、优化速度更快、收敛效果更好。     

螺旋桨动力系统测试平台设计研究

电动旋翼无人机因其便捷简单的操纵性、出色的安全性和可靠性,近年来成为无人机市场的发展热点,但航时较短是目前的主要弱势之一,改善这一问题有两种有效途径:一种是研发高储能的电池,但受制于技术的成熟度,现阶段该方法并不现实;另一种是提高无人机动力系统的效率。为此搭建了螺旋桨动力系统测试试验台,明确了测试方案和技术指标,然后对各采集单元进行了详细的工程方案设计,基于Lab VEWI编写了试验台的多通道数据采集软件。试验台测试的结果与计算数据趋势吻合较好,数据偏差在10%以内,证明了计算方法的有效性,同时印证了试验台可以为动力系统研究提供可靠支持。     

小型巡飞弹电动推进系统设计及试验验证

为快速获得满足工程需要的小型巡飞弹电动推进系统,采用螺旋桨涡流理论和一阶电动机模型建立了电动推进系统效率计算模型。以巡飞弹巡航阶段电动推进系统效率最高为目标,将爬升阶段巡飞弹所需推力及对应的反扭矩作为约束对桨机参数进行了快速优化设计,得到了电动机与螺旋桨的设计指标。根据该设计指标开展了电动机测功试验,完成了电动机选型;利用Kriging代理模型对螺旋桨进行了详细优化设计,并计算了完整的气动参数。针对设计得到的巡飞弹电动推进系统开展了风洞吹风试验,结果显示螺旋桨理论计算与试验测试误差在85%以内,巡航阶段电动推进系统效率设计结果与测试结果误差在27%以内,表明所提出的电动推进系统设计方法合理有效,能够为此类巡飞弹设计提供一定程度理论指导。      

微型飞行器航时优化

 针对微型飞行器(MAV)低雷诺数条件下续航时间不足的问题,推导了适用于电动推进飞行器的航时计算公式,并提出为实现航时优化的动力系统规划方法。通过初步实验,验证了航时优化理论的正确性,通过规划延长了航时。     

考虑重心位置不确定性的无尾无人机优化设计

飞机的飞行性能与重心(CG)位置密切相关,尤其是后掠式无尾飞机的重心位置对其飞行性能影响更甚,如果重心位置发生变化,升力分布随之改变,进而影响飞机航时。针对这个问题,从气动布局和设计方法两方面,设计了一种航时对重心位置不敏感的无尾无人机(UAV)。气动布局上,提出了利用螺旋桨动力配平纵向力矩的鸥翼(GW)布局,以减小重心位置变化对升阻特性的影响;设计方法上,采用稳健性优化设计(RDO)理论,分析重心位置不确定时的航时低敏感度问题。以一架小型电动无人机为研究对象,建立了无尾无人机稳健性优化设计环境,包括总体设计、代理模型构造以及稳健性优化。分析结果表明:利用螺旋桨动力配平的鸥翼布局使重心可用范围增加了5%;静安定裕度在5%~15%变化时,该布局可以有效提高航时稳健性。采用稳健性优化得到的无人机几何参数,大幅度降低了重心位置对航时的影响,显著提升了满足约束的概率。     

小型电动无人机续航性能提升方法研究

电动无人机是目前无人机领域的一个重要组成部分。从作战技术指标出发,着重讨论了电动无人机的续航时间,给出了续航时间与气动参数之间的关系。以遗传算法为工具,进行了无人机总体参数的多目标优化,获得了提高无人机续航性能的最佳总体参数组合。以某型近程无人机为例进行了计算,实例结果表明,本方法是合理的。     

Rotorcraft flight endurance estimation based on a new battery discharge model

To avoid the numerical complexities of the battery discharge law of electric-powered rotorcrafts,this study uses the Kriging method to model the discharge characteristics of Li-Po batteries under standard conditions.A linear current compensation term and an ambient temperature compensation term based on radial basis functions are then applied to the trained Kriging model,leading to the complete discharged capacity-terminal voltage model.Using an orthogonal experimental design and a sequential method,the coefficients of the current and ambient temperature compensation terms are determined through robust optimization.An endurance calculation model for electric-powered rotorcrafts is then established,based on the battery discharge model,through numerical integration.Laboratory tests show that the maximum relative error of the proposed discharged capacity-terminal voltage model at detection points is 0.0086,and that of the rotorcraft endurance calculation model is 0.0195,thus verifying their accuracy.A flight test further demonstrates the applicability of the proposed endurance model to general electric-powered rotorcrafts.     

扑翼飞行器动力系统建模方法

为快速评估扑翼飞行器的航时,便于针对不同扑动翼进行动力系统设计与优化,逐步减少实物验证与试飞,加快扑翼飞行器的研制,基于实验数据参数辨识的方法建立了包含直流无刷电机、电调（ESC）、锂电池和扑动机构等扑翼飞行器动力系统组件的动态模型,其中电机模型相对误差小于10%,锂电池动态模型相对误差小于6%;提出了一种基于风洞试验气动数据和功率数据的扑动轴瞬时气动载荷半经验高精度建模方法,解决了气动载荷测量较为困难的问题,模型确定系数大于0.89;集成以上模型后的扑翼飞行器仿真系统还包含扑动翼周期平均气动模型、平尾气动模型和纵向控制模型,确保仿真在动态配平状态下进行,可进行全任务剖面航时仿真,航时仿真与实际试飞结果相比误差小于3%。集成的扑翼飞行器仿真系统采用模块化建模思想,各模型参数独立可调,能进一步应用于扑翼飞行器多学科优化等研究。     

Prediction of electric-powered fixed-wing UAV endurance

To overcome the problems encountered in predicting the endurance of electricpowered fixed-wing unmanned aerial vehicles (UAVs),which were stemmed from the dynamic changes in electric power system efficiency and battery discharge characteristics under different operating conditions,the required battery power model and battery discharge model were studied.The required battery power model was determined using an approximate model of electric power system efficiency based on wind tunnel testing and the self-adaptive penalty function.Furthermore,current correction and ambient temperature correction terms were proposed for the trained Kriging model representing the discharge characteristics under standard operation,and then the discharged capacity-terminal voltage model was established.Through numerical integration of this model with the required battery power model,the electric-powered fixed-wing UAV endurance prediction model was obtained.Laboratory tests indicated that the proposed endurance model could precisely calculate the battery discharge time and accurately describe the battery discharge process.The similarity of the theoretical and flight test results reflected the accuracy of the proposed endurance model as well as the importance of considering dynamic changes in power system efficiency in endurance calculations.The proposed endurance model meeting precision requirements can be used in practical engineering applications.     

螺旋桨/机翼耦合下的目标螺旋桨滑流设计

针对分布式电推进(DEP)构型等具有多螺旋桨特征的飞行器,发展了通过优化螺旋桨滑流来达到提高机翼升阻比的方法。提出了一种可以获得目标诱导速度分布的螺旋桨设计方法,基于面元法发展了一套可以快速计算螺旋桨机翼干扰的气动程序Prop-wing,基于Kriging代理模型建立了一套高效的优化方法获得最优的螺旋桨诱导速度分布提高机翼升阻比。优化结果显示当拉力保持相同时,螺旋桨桨毂附近的轴向诱导速度越大,下游机翼的升阻比越大。在不对螺旋桨功率进行限制时,优化后的螺旋桨使得下游的翼段阻力相比较安装最小能量损失设计的螺旋桨的翼段减少了1875%,而翼段升阻比提升达到了2563%,当优化螺旋桨功率被限制后,翼段升阻比提升为962%。虽然升阻比的提升需要付出螺旋桨效率下降的代价,但是研究还是给分布式动力滑流的利用提供了一种思路。      

一种电动飞机电推进系统的能效优化方法

电动飞机依靠电推进系统为飞机提供所需的动力,而电动飞机蓄电池的能量密度制约了飞机续航能力的提升。在蓄电池能量密度受限的条件下,进行电推进系统能效优化,提高电推进系统效率,降低电推进系统损耗,对增加飞机的续航时间具有重要意义。以某双座可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统为例,依据飞机的飞行任务剖面搭建了飞机电推进系统在起飞及巡航阶段的系统损耗模型,以可调定桨距螺旋桨桨矩角为优化变量,以飞机完成一次飞行任务剖面能耗最小为目标,提出一种适于可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统的能效优化方法。为了验证该方法的有效性,搭建样机测试平台,进行了样机试验,试验结果表明：该能效优化方法能够有效提高飞机电推进系统效率,使飞机完成一次飞行任务剖面的系统能耗降低了8%以上。