无人机全空域飞行影响因素分析

进入全空域飞行是未来无人机发展的必然趋势,所面临的关键问题是安全性和空中交通管理.根据无人机大、中、小型,低、中、高速并存的特点,分析了无人机安全性和影响其全空域飞行能力的关键因素与改进方法,包括建立分类管理机制,提高自主导航与控制能力,进行动态任务规划,采取协调机制,增强环境感知与规避能力等.进一步提出了无人机空域飞行的建模/仿真理论框架,目标是在提高无人机可靠性的基础上,使其具备全空域飞行能力,从而降低无人机使用成本、提高空域共享能力,实现有人机、无人机共享空域.      

实时仿真中的逼真虚拟地球实现

针对虚拟现实中真实感不强的问题,提出了一种具有高精度地表纹理的虚拟地球实现方法,构建了一个地表纹理像素精度高达21 600像素×10 800像素、地球表面轮廓凹凸效果和大气层光晕效果的虚拟地球.采用几何计算来构建地球形状模型,将地球按经纬度分成128块,分别计算每块区域顶点坐标、法向量、纹理坐标;采用混合纹理技术对地表纹理、云层纹理及云层法向量图进行3层纹理混合实现地球表面的云层和轮廓凹凸效果;采用实时移动与放缩带大气层纹理的正方形面板来实现大气光晕效果;采用可见性判断和纹理精度管理的方法,实时判断地球表面区域的可见性、选择不同精度纹理粘贴、剔除不可见区域,减少绘制开销.实验显示,该方法在加载1.02 GB纹理像素的情况下,达到了45帧/s的帧速率.      

基于PSO算法的直接驱动阀用音圈电机优化设计

音圈电机(VCM,Voice Coil Motor)直接驱动伺服阀(DDV, Direct Drive Valve)采用VCM直接驱动滑阀阀芯,VCM的性能对DDV整体性能起决定性作用.由于VCM的几何设计参数对性能提升存在相互矛盾,需要在允许的参数空间内寻找一组最优的参数,往往需要设计者试凑多次.在介绍VCM原理和结构的基础上,分析了各设计参数对性能的影响.定义了针对DDV应用需求的VCM优化目标函数,应用变惯性权值和带收敛因子的改进粒子群优化(PSO, Particle Swarm Optimization)算法在设计约束的多维参数空间内进行VCM优化,得到满足设计约束的最优设计参数,表明PSO算法在类似应用中具有较强工程应用价值.      

双独立闭环复合液压伺服控制体系的分析

针对现有几种液压伺服控制系统的优缺点,基于高性能和节能这一发展趋势,提出基于伺服电机、定量泵、蓄能器和伺服阀的双独立闭环的新型复合控制体系.分析了其结构特点,建立了数学模型并进行了仿真分析和实验验证,证明新型控制体系充分发挥了各个控制环节的效能,实现了流量适应,较现有的控制方案简单可靠,在综合指标方面有了很大的提高,适合机载液压系统和弹载液压系统.      

基于遗传算法的双余度无刷直流电机优化设计

针对航空电作动系统用双余度无刷直流电机的方案寻优问题,提出了一种基于遗传算法的优化设计方法.通过分析航空作动系统的特点和性能要求得出电机优化设计的目标函数和约束条件.建立电机的电磁和热路模型,得到目标函数和约束条件的解析方程.其中,在电磁模型的建立过程中,采用解析方法得到气隙磁密和反电势系数表达式;在热路模型的建立过程中,采用Bertotti分立铁耗法计算铁心损耗,并利用热路法求解电机各部分的温升.通过遗传算法对电机重量全局寻优.计算结果表明:在满足性能要求的前提下,优化设计方案合理,电机重量减小了13.3%,验证了该优化设计和建模方法的有效性.      

Modeling and Optimal Design of 3 Degrees of Freedom Helmholtz Resonator in Hydraulic System

Three degrees of freedom (3-DOF) Helmholtz resonator which consists of three cylindrical necks and cavities connected in series (neck-cavity-neck-cavity-neck-cavity) is suitable to reduce flow pulsation in hydraulic system. A novel lumped parameter model (LPM) of 3-DOF Helmholtz resonator in hydraulic system is developed which considers the viscous friction loss of hydraulic fluid in the necks. Applying the Newton’s second law of motion to the equivalent mechanical model of the resonator, closed-form expression of transmission loss and resonance frequency is presented. Based on the LPM, an optimal design method which employs rotate vector optimization method (RVOM) is proposed. The purpose of the optimal design is to search the resonator’s unknown parameters so that its resonance frequencies can coincide with the pump-induced flow pulsation harmonics respectively. The optimal design method is realized to design 3-DOF Helmholtz resonator for a certain type of aviation piston pump hydraulic system. The optimization result shows the feasibility of this method, and the simulation under optimum parameters reveals that the LPM can get the same precision as transfer matrix method (TMM).     

变体无人机动力学模型及切换控制研究

针对能够在飞行过程中进行结构变形的变体无人机,考虑由变形引起的气动力与力矩,惯性力与力矩的非线性变化,建立其在质点系假设条件下的多体动力学模型。根据切换系统理论,将变体无人机视为一类线性切换系统,选择设计点,采用极点配置方法针对各设计点处的线性子系统设计控制器,再制定以变形量为决策变量的控制切换方案,构成切换控制系统。通过建立公共Lyapunov函数,推导了能够保证闭环切换系统在结构变形过程中一致有界的充分条件。以变体无人机Fire-Bee为例,验证了方案的有效性,仿真结果表明闭环系统无论在固定结构下还是变形过程中都具有良好的动态特性。     

发动机羽流作用下的实时月尘运动仿真

月尘运动是月球探测器软着陆过程中不可或缺的重要环节,针对发动机羽流作用下月尘运动真实感不强和月尘颗粒运动模型过于简单的问题,提出了一种逼真的实时月尘运动仿真方法.通过计算流体动力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)和二次谢别德插值(Quadratic Shepard)方法,分析和计算单个月尘颗粒的运动学模型,得到一定初始条件下粒子运动的二维轨迹曲线;通过分析粒子的数量、初始位置、初始速度、生命周期等参数对粒子运动学的影响和变化规律,抽象出月尘系统的粒子集;建立基于月尘粒子集的月尘运动模型.实验结果显示:该运动模型逼真的模拟了发动机羽流作用下月尘腾起、飞溅、弥漫、消散等运动过程,视觉真实感和实时性能良好,对研究真空环境中的月尘运动及月球软着陆等相关领域具有一定的参考意义.目前该方法已应用于北航虚拟现实国家重点实验室月球软着陆仿真系统.     

月球软着陆动力学分析与仿真

以4腿式月球探测器为研究对象,分析了探测器的部件结构与物理属性、月球物理环境等综合因素.在探测器动力学研究中,提出了一种基于结构的分块参数化仿真方法,分析探测器着陆时的受力,建立着陆腿与足垫等关键部件的动力学模型,利用简化探测器结构,综合各部分模型.结合虚拟现实可视化仿真技术,实现月球软着陆过程仿真.通过仿真反映出月面坡度与着陆速度、刚度系数与阻尼系数等初始条件对软着陆效果的影响,验证方法的有效性.该方法已成功应用于登月工程研究.     

基于操纵面故障影响估计的安全飞行轨迹优化

操纵面故障将改变飞机受到的气动力和力矩,降低机动性能和控制能力,基于传统质点模型的航迹规划方法难以解决此类飞机安全飞行轨迹优化问题.因此,引入由故障引起的侧滑和侧力,估计故障后气动力系数,建立故障飞机模型;针对故障飞机控制和机动能力下降的问题,在原故障模型的基础上引入控制量变化率,构建轨迹优化对象模型,并将控制量变化率最小作为优化指标;采用高斯伪谱法优化计算安全飞行轨迹.仿真实验以副翼和方向舵故障为例进行设计,结果满足运动方程及各控制量、状态量约束,并能实现平稳飞行.