提高飞行器姿态角计算精度的方法研究

分析了传统的通过方向余弦矩阵、四元数形式的飞行器转动微分方程数值积分结果确定姿态角方法的不足,介绍了基于改进的牛顿法确定飞行器姿态角的方法.基于多次测量均值效应原理,介绍多使用上述两种方法中的元素提高飞行器姿态角计算精度的算法及仿真结果.     

刚体姿态仿真方法研究

首先论述了姿态描述的四种方法:欧拉角、欧拉轴旋转参数、方向余弦和四元数法,重点介绍了四元数法在飞行器运动学上的应用,它消除了欧拉方程的奇异性,计算效率也远远优于其他三种方法;最后讨论了数值仿真的方法及误差。     

变距四旋翼飞行器气动力及噪声特性计算研究

基于计算流体力学(CFD)建立了适用于多旋翼飞行器的流场计算模型,采用嵌套网格方法模拟旋翼运动、双时间方法进行时间推进,分析变距四旋翼飞行器的气动力特性.在此基础上,采用FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程计算了变距四旋翼飞行器的噪声特性(包括考虑和不考虑旋翼间气动干扰两种情况).计算结果表...     

基于四元数误差模型的捷联惯导系统对准方法

传统的小干扰方程并不能描述捷联惯导系统在大失准角下的误差传播特性 ,推导了姿态误差为大角度时的四元数误差方程 ,并指出当姿态误差为小量时 ,所推导的误差模型与小干扰方程是等价的。仿真结果表明在大失准角下的空中对准过程中 ,采用四元数误差方程以及非线性滤波技术能有效地提高对准精度     

无人飞行器参数依赖鲁棒控制研究

研究了具有参数不确定性的无人飞行器参数依赖鲁棒控制器设计问题。采用误差四元数建立姿态运动方程,避免了欧拉角描述姿态运动存在奇异性的问题。通过引入附加的松弛矩阵使Lyapunov矩阵和系统矩阵分离,并利用平方和工具箱求解非线性矩阵不等式得到了系统的鲁棒控制器。仿真结果表明了所提出的控制器设计方法的可行性和有效性。     

起落架四点布局无人机地面运动研究

以国内某四轮无人机为研究对象,在考虑摩擦力、侧向力和角速率等各种因素的情况下,全面分析研究了四轮无人机地面滑跑时的运动特点和受力情况,建立了六自由度刚体飞行器地面运动的动力学方程和运动学方程。在此基础上,对全量非线性模型进行了起飞、着陆时地面运动的仿真,该仿真结果表明了系统模型的正确性。     

一种通过观测两颗恒星确定飞行器姿态的算法

本文介绍了通过固联安装在飞行器本体上的星跟踪器观测两颗恒星,确定飞行器姿态的一种算法,建立了相应的坐标系,推导了恒星观测角与描述飞行器姿态的四元数之间的关系。     

扑翼微飞行器飞行时的数值模拟与分析

采用数值方法求解三维非定常不可压缩的N-S方程,生成了相应的扑翼微飞行器的三维动网格;模拟了扑翼微飞行器在不同频率、不同攻角、不同振幅、不同飞行速度、不同的翅膀初始位置下的非稳态流场;计算了扑翼微飞行器在不同运动模态下的升阻力系数;分析了影响扑翼微飞行器空气动力学的特性的不同因素;为扑翼微飞行器的飞行机制和建造提供了理论依据。     

捷联惯性导航传统比力积分算法与对偶四元数算法的比较研究

捷联惯性导航速度更新算法中,将载体坐标系中的比力积分增量变换到导航参考坐标系中,载体姿态变化的影响通常采用一阶近似模型进行计算。本文分析了包括角振动和加速运动的动态运动下一阶近似模型的局限,在典型角振动及加速运动条件下对忽略姿态变化二阶项造成的速度更新误差进行了理论分析。通过比较,揭示了对偶四元数比力积分算法精度高于传统比力积分算法的原因,即和传统比力积分算法相比,对偶四元数比力积分算法等价于考虑了载体姿态变化影响的二阶项。通过典型角振动及加速运动条件下传统捷联惯性导航算法和对偶四元数导航算法的仿真比较,对理论分析结果进行了验证。     

双欧法与四元数法的应用比较

对解决欧拉方程奇异性的双欧拉和四元数法进行了对比研究，四元数法从理论上讲比较完美，但实际应用中存在较大的累积计算误差，从而影响计算精度；双欧法利用正、反欧拉方程间精华区倒挂关系进行分区交替运算，把精华区扩展到全域，不仅根除了奇异性，而且计算误差小。因此，对于解决欧拉方程奇异性来讲，双欧法要优于四元数法。     

初始运行条件对空间飞行器飞行影响研究

某试验型微小空间飞行器用于检测空间探测技术,通过对该飞行器运动轨迹及姿态变化的研究,对比分析空间探测技术的实时响应和检测精度。针对发射过程中,扰动会改变空间飞行器自由飞行过程的初始运行条件的问题,建立计及环境因素的空间飞行器轨道动力学和基于欧拉方程的姿态动力学模型,并对飞行器在不同初始运行条件下的运动过程进行数值研究。结果表明:改变初始条件,飞行器运动过程将产生不同程度的变化;入轨初速度越大,飞行器轨道离心率和周期越大;非零发射角将引起轨道偏移和旋转,俯仰发射角主要引起俯仰角变化,偏航发射角主要影响滚转角和偏航角,并且角度越大,幅度越大;自转角速度越大,姿态角变化越小。     

滚转运动对乘波飞行器气动特性的影响

 乘波飞行器运动过程中的非定常气动特性是高超声速飞行中的重要物理问题之一。采用数值模拟方法模拟了乘波飞行器在固定迎角下绕其对称轴强迫滚转运动这一过程。比较了在不同频率和滚转角下乘波飞行器的气动特性。计算格式采用AUSM类格式中最新的AUSM+up格式。计算结果表明：AUSM+up能很好地模拟飞行器滚转运动这一非定常过程;滚转运动时,所设计的乘波飞行器能使高压气体很好地附着在乘波飞行器下表面从而使其具有较好的气动特性;当频率较大时,乘波飞行器由于角速度的诱导作用会导致升力出现迟滞现象;做滚转运动时,滚转力矩小于零,产生正阻尼,乘波飞行器不会产生“摇滚”运动。     

弹性飞行器纵向稳定性问题

 本文研究考虑气动弹性时飞行器的纵向稳定性问题。首先由弹性飞行器的纵向扰动运动方程出发,导出了便于计算采用的弹性飞行器纵向扰动方程的标准矩阵形式,作出作为控制对象的弹性飞行器在考虑一阶、二阶及三阶振型时的传递函数;其次分析气动弹性对整个飞行器系统的稳定性的影响,并提出对飞行器自动驾驶仪敏感元件的可能合适位置选择的要求。最后还建立了计算气动弹性对飞行器气动导数值影响的理论式。     

天宫飞行器低轨控空气动力特性一体化建模与计算研究

对非规则板舱组合体天宫飞行器300~200 km低轨道飞行过程空气动力特性一体化计算建模,提出考虑复杂构型物面遮盖效应面元解析法与经修正的Boettcher/Legge非对称桥函数,发展基于三角形面元逼近复杂外形通用处理方法,建立适于天宫飞行器复杂物形处理与面元气动力系数计算规则;将DSMC方法与求解Boltzmann模型方程气体运动论统一算法应用于天宫飞行器简化外形,进行气动力当地化关联参数计算修正,建立针对大型复杂结构天宫飞行器低轨道飞行控制过程空气动力特性一体化快速算法与程序软件。对大尺度圆柱体外形与天宫飞行器300~200 km不同高度变轨飞行过程不同迎角与侧滑角及帆板平面与本体主轴不同夹角复杂构型气动力特性计算分析验证,表明天宫飞行器在200 km以上低轨道飞行控制过程中所受空气动力系数随飞行高度发生显著变化(8%~50%),证实长期在轨运行的大型航天器若采用统一固定的气动力系数,误差累积巨大,需要采取防护措施,低轨道飞控大气阻力仍是制约航天器定轨预报精度最关键因素。     

解决欧拉方程奇异性的方法探讨

提出了一种解决欧拉方程奇异性的工程算法,从飞行器运动方程入手,推导出具体计算公式,并进行了数值计算验证。该方法无论是理论分析还是工程计算都证明是可行的,没有发现原理缺陷和方法误差,不会产生奇异性,在飞行器仿真、模拟和姿态控制中具有普遍的应用和参考价值。     

大机动飞行仿真的一种改进算法

传统的四元数和欧拉角之间的转换仅是对体轴系下的姿态角进行处理,并没有考虑与航迹轴相关的航迹角的转换问题,这样,在大机动飞行仿真中不仅会使飞机方程的解出现奇异,而且不能正确表示飞机的姿态。为此,提出了一种新的改进算法,采用该算法,不仅能够实现全角度的四元数与欧拉角之间的转换,同时也对航迹角的解算进行了相应的处理,使仿真结果与工程实际情况完全一致。经过对多种大机动飞行动作的仿真,验证了本方法是正确、实用的。     

用非结构动网格技术计算确定再入飞行器配平攻角

提出了用数值计算直接确定飞行器配平攻角的自由振动法.该方法采用非结构动网格技术,使飞行器在气动力作用下绕通过质心的轴线自由振动,最终衰减到配平攻角.构造了一种MUSCL类型有限体积格式,求解考虑了动网格效应的三维非定常Euler方程,采用弹簧近似技术实现非结构网格的变形运动.作为例证,计算确定了载人飞船返回舱的配平攻角,计算结果与实验结果接近.该方法外形适应能力强,效率较高,具有较好的应用前景.     

飞行器再入机动制导的一种新方法

基于飞行力学的原理，建立了飞行器攻击地面目标的运动方程，进而运用计算结构力学与最优控制的相似性原理，将求解Ｒｉｃｃａｔｉ方程的一种新方法引入飞行器再入机动制导问题中。由于采用的是结构静力学中的子结构消元法，从而避免了本征值问题的求解。该方法大幅度地提高了计算速度，同时具有很好的数值稳定性，计算结果表明该方法的有效性。     

四轴滚翼飞行器总体布局及前飞特性研究

为了研究四轴滚翼飞行器的飞行动力学特性,对几种总体布局形式进行了比较分析。实现了一种各种运动相互解耦、操纵性好的总体布局形式,完成了飞行动力学建模,并计算分析了一种样机的前飞特性。结果表明,对于不同的总距角和操纵角,前飞速度均随摆线桨转速呈线性规律增加;随着总距角的增加,飞行器俯仰角逐渐减小,前飞速度基本能在操纵3 s后达到稳定状态;随着操纵角的增加,飞行器的俯仰角先减小后缓慢增大,前飞速度对操纵的响应时间越来越长。     

球锥细长体等离子体鞘套分析

在高速飞行器再入大气的过程中,将出现严重的通讯中断问题。了解飞行器周围等离子体鞘套特性,是解决通讯中断问题的前提。为此,本文从简化Navier-Stokes方程出发,采用差分方法计算了小钝头锥体二组元扩散、化学平衡层流流场,给出了流场参数、电子密度、碰撞频率以及表面热流和阻力系数的分布。本文结果与边界层理论计算结果和无粘流场计算结果进行了比较。