基于Qt的多旋翼电动无人机地面站软件设计与实现

为实现某型多旋翼电动无人机实时、全维度、全天候的飞行姿态控制和设备状态监测,介绍了一种基于Qt 5.9.1跨平台C++图形用户界面应用程序开发环境的无人机地面控制系统软件,包括其结构、功能,以及具体实现方式。该系统有效地实现了无人机飞行状态实时监测,控制无人机的飞行轨迹,对故障状态及时警报并采取相应的措施,同时完成相应的载荷任务。最后,根据使用该系统进行飞行试验所采集的数据参数,对系统安全性、可靠性和适应性进行分析。     

数字孪生及其在航空航天中的应用

数字孪生已引起国内外的广泛重视，可看作是连接物理世界和数字世界的纽带。其通过建立物理系统的数字模型、实时监测系统状态并驱动模型动态更新实现系统行为更准确的描述与预报，从而在线优化决策与反馈控制。本文分析表明数字孪生体相比一般的模拟模型，具有集中性、动态性和完整性的突出特点。数字孪生的发展需要复杂系统建模、传感与监测、大数据、动态数据驱动分析与决策和数字孪生软件平台技术的支撑。在航空航天领域，数字孪生可应用于飞行器的设计研发、制造装配和运行维护。重点讨论了应用机身数字孪生进行寿命预测与维护决策的案例，相比于周期性维护，具有检修次数更少、维护成本更低的优势。最后，给出了数字孪生在空间站、可重复使用飞船的地面伴飞系统中的初步应用框架。     

面向结构静力试验监测的高精度数字孪生方法

试验验证和数值仿真是评估结构强度的两种典型方法,然而基于离散传感器的试验验证方法难以保证结构应力监测覆盖度,数值仿真方法又因为对物理实体的简化和理想化处理而导致应力结果精度不足,如何综合利用两种强度评估方法的优势并进行数据融合以实现结构应力场监测是一个具有挑战性的问题。提出一种面向结构静力试验监测的数字孪生（DT-SSTM）方法,可获得高精度的结构静力试验数字孪生模型,以实现结构应力场的实时监测与强度评估。DT-SSTM方法包括离线、在线2个阶段。离线阶段,采用梯度提升树（GBDT）算法对仿真数据进行训练,建立预训练模型。在线阶段,基于集成学习理论,采用Stacking算法对试验数据响应值与预训练模型响应值之间的残差进行训练并建立残差模型。通过叠加预训练模型与残差模型实现多源数据融合,建立高精度的数字孪生模型。最后,开展了开口矩形壁板轴向拉伸试验来验证DT-SSTM方法的有效性。结果表明,DT-SSTM方法能够建立高精度的结构静力试验数字孪生模型,且相比同类数据融合方法具有更高的全局、局部预测精度以及融合效率,为结构应力场实时监测提供了一种新颖的解决方案。     

基于数字孪生的火箭框环拉弯回弹预测

针对火箭框环拉弯成形带来的回弹会严重影响框环一次成形的合格率以及航天产品的装配精度,提出基于数字孪生的火箭框环拉弯回弹预测方法。通过构建与框环实际生产流程相互匹配的孪生模型,建立起孪生模型与物理实体模型之间的通信关系,实现孪生模型和物理实体的相互映射,从而利用物理实体的数据不断修改孪生模型。孪生模型经过诊断、预测和评估后,可以将仿真结果输出到控制器对物理实体进行状态控制,从而实现孪生模型与物理实体的一致性。通过对框环加工成形进行实时指导,有效地减少了框环拉弯成形的回弹量,与传统的建模仿真相比,使用数字孪生技术具有设计周期短、产品精度高、可靠性高、生产成本低等优点。     

基于数字孪生的飞机起落架健康管理技术

针对飞机起落架系统，传统健康管理方式存在知识不完备、数据不平衡和模型固化等问题，开展了数字孪生驱动的健康管理技术研究，提出以自更新模型为基础实现故障诊断与预测的数字孪生健康管理框架。从起落架系统物理和行为2个维度建立孪生模型来实现真实系统的数字映射，依托强化学习算法实现数字孪生模型参数的更新，确保孪生模型实时跟踪和反映实体健康状态，并以此为基础设计基于事件的故障诊断和基于粒子滤波的故障预测方案。以起落架收放系统为例完成实验验证，与传统方法相比，本文方法在实时性、准确性和鲁棒性方面表现更优。     

面向工业机器人的数字孪生建模精度补偿方法

针对现有工业机器人智能装备建模感知监测精度缺失,依靠理论参数建模精度低等问题,本文以工业机器人铣削系统为研究对象,构建了高精度光栅尺实时测量机器人关节转角的数字孪生监测系统,避免了齿轮间隙、编码器丢码等关节转角误差对数字孪生建模准确度的影响;根据MD–H运动学建模方法建立了数字孪生驱动模型,采用L–M算法对工业机器人建模参数进行辨识修正,减少了机器人数字孪生模型中几何误差的影响;开发了数字孪生交互系统平台,用以监测、控制物理空间的工业机器人铣削系统的作业运动。利用辨识后的机器人关节参数构建的数字孪生模型,使得工业机器人铣削系统运动点位的建模精度从±1.6905 mm提高到了±0.3304 mm,提高了4.12倍,表明本文针对工业机器人数字孪生建模方法的正确性和建模参数辨识方法对建模精度补偿的可行性。     

基于数字孪生的设备加工过程监测技术研究

针对典型航空产品装配生产线的生产过程中缺乏有效的人机交互手段,设备实时运行状态可视化监控程度低等问题,提出了一种基于数字孪生的加工设备运行状态监测方法,包括模型构建与优化处理、NC程序解析与加工仿真、软硬件通信与数据传输和实时仿真与数据分析.最后在某航空发动机外涵机匣装配生产线验证了该方案,可以实现NC程序加工仿真分析...     

数字孪生在工艺设计中的应用探讨

数字孪生作为赛博物理系统的关键技术,能够对物理世界进行数字化描述并有效管控产品全生命周期的数据,为实现产品研发生产中各种活动的优化决策提供了新的思路。对数字孪生的概念和研究进展进行了概述,针对当前CAPP(计算机辅助工艺设计)研究中存在的两个问题,引入了实作模型的概念,提出了数字孪生环境下CAPP的设计框架,最后探讨了基于实作模型的实时工艺决策和基于数字孪生的工艺知识挖掘技术。     

航空航天薄壁件铣削过程加工状态监测研究进展

对切削加工状态进行精准监测,是实现航空航天薄壁件加工变形控制的重要保障。围绕航空航天薄壁件铣削加工状态监测的最新研究进展进行了评述,详细介绍了建立加工状态监测模型的关键技术与方法,包括加工信息采集处理、特征提取和特征融合。归纳了学者们在薄壁件加工过程中对刀具磨破损、铣削颤振、铣削变形等具体状态监测的研究进展。基于数字孪生技术,构建了面向薄壁件铣削加工状态监测的优化系统。最后,根据现阶段本领域发展状况对薄壁件铣削加工状态监测进行了展望。     

基于数字孪生的飞机总装生产线管控模式探索与实践

为持续提升飞机总装生产线运营绩效,促进业务模式变革,提出了一种基于数字孪生的飞机总装生产线管控新模式。首先,分析了飞机总装生产线从物理空间到信息空间的演变过程及生产线运行管控需求。其次,阐述了飞机总装生产线数字孪生组成,结合数字孪生五维模型,构建了总装生产线数字孪生模型。最后,基于3DMAX建立了虚拟模型,利用系统开发技术构建总装数字孪生系统,通过采集现场生产过程数据实现物理实体与虚拟空间的映射,初步探索了数字孪生技术在飞机总装生产线的应用。结果表明,基于数字孪生的飞机总装生产线管控模式对提高生产效率和质量具有重要作用。     

融合现场物理特性的航空薄壁结构虚拟装配样机及其构建技术

针对实现低刚度航空薄壁结构组件/部件高性能装配缺少现场物理特性数据与模型基础的问题,对融合现场物理特性约束的虚拟装配样机构建实现技术进行了研究。首先,定义了虚拟装配样机的技术内涵及构建框架,其本质是一个高度拟实化的数字孪生装配系统,可以在虚拟环境中进行多尺度的装配几何量与物理量拟实化仿真,预先分析验证装配性能;其次,从多源异构装配数据采集与处理、多类别装配孪生模型融合性建模、装配样机系统虚实融合同步性建模、装配过程与装配质量状态可视化建模4个方面,详细阐述融合现场物理特性约束的航空薄壁结构虚拟装配样机高保真动态构建及实现技术,并提出了虚拟装配样机的“双线”、“分级”综合构建措施,从而为装配过程的拟实化仿真及装配质量的精准控制提供数据及模型依据,并为装配质量的主动实时控制奠定坚实基础。     

机翼结冰生命周期的数字孪生软件系统

飞机巡航中的机翼结冰情况是关系到飞行安全的重大实际问题之一,如果能够实时监测甚至根据环境提前预测机翼结冰过程和状况,对改进机翼防除冰设计、规避飞行危险都具有重大意义。数字孪生技术作为5G信息时代中新兴的技术,为物理过程的虚拟呈现提供了新的思路与解决方案、同时数字孪生技术结合人工智能等技术,同样可以应用于飞机巡航中机翼结冰物理过程,对实时监测与预测提供了新的技术保证。从数字孪生的角度出发,以机翼结冰神经网络模型为切入点,设计实现了一款基于数字孪生和人工智能技术的巡航中机翼结冰二维过程快速呈现软件系统。软件获取飞机巡航结冰参数与飞行参数,运行结果能够利用动态显示方式,呈现飞机巡航中机翼结冰全生命周期。     

基于数字孪生的飞机装配车间生产管控模式探索

飞机装配车间中实现制造的物理世界和信息世界的互联互通成为飞机装配智能化的发展趋势,数字孪生是实现物理世界与信息世界交互与融合的有效技术手段。分析了车间发展历程并阐述了目前飞机装配车间的特点及问题,在此基础上,提出了涵盖物理装配车间、虚拟装配车间、车间孪生数据及装配车间服务系统的飞机数字孪生装配车间架构,并对物理装配车间数据的实时感知与采集、虚拟装配车间建模与仿真运行技术、数字孪生与数据驱动的装配车间生产管控等飞机数字孪生装配车间关键技术进行了研究,为航空工业领域的智能制造提供参考。     

数字孪生驱动的薄壁件铣削刀具磨损状态识别方法

薄壁零件由于其本身的弱刚性,铣削过程中极易发生颤振、变形,从而加剧刀具磨损,为提高薄壁零件的铣削加工效率和表面质量,提出了一种数字孪生与支持向量机（SVM）融合驱动的刀具磨损状态识别方法。利用时、频域分析和小波包变换提取特征向量,通过网格搜索与交叉验证（GSCV）的方法进行超参数寻优,结合SVM算法构建薄壁零件铣削刀具磨损状态识别模型。试验结果表明,SVM算法在高维小样本数据的分类识别问题中优势明显,对于不同铣刀磨损状态的识别准确率分别达到96%和90.16%,具有较好的泛化能力。结合机器学习算法构建高保真、轻量化的数字孪生体,并将其嵌入薄壁零件铣削过程监测平台,以解决加工过程中信号实时监测和刀具磨损状态在线识别的问题。     

基于 LSTM的飞控系统状态监控

监测飞控系统状态参数是保证无人机飞行安全的重要手段。针对无人机飞控系统的组成特点和飞行控制律,设计并构建了基于长短期记忆网络(Long Short Term Memory Network,LSTM)的飞控系统状态监控模型。首先,利用无人机历史飞参数据训练模型,建立输入飞参数据与状态参数的回归映射关系;然后,利用训练好的网络模型,实时预测飞控系统的状态参数,通过对比实测值与预测值之间的差异,实现飞控系统的状态监控。选取无人机飞参数据进行实验,基于 LSTM的算法比反向传播神经网络(BPNN)、支持向量机(SVM)预测精度高,MSE平均值分别低 0.01和 0.26,MAE平均值分别低 0.05和 0.12。结果表明,所提出的方法能够有效监控飞控系统,为无人机飞行管理决策提供数据支持。     

面向航天器在轨装配的数字孪生技术

构建航天器在轨维修维护能力是确保空间系统长期稳定工作的有效途径,而对于空间环境中的在轨装配过程的模拟、监控、诊断和预测,目前的研究尚处于探索阶段,研究成果相对较少且缺乏整体解决方案。提出采用构建航天器数字孪生体的方式,来抽象表达航天器完成在轨装配的过程、状态和行为。首先分析了在轨装配航天器的结构组成及功能需求,然后系统阐述了航天器数字孪生体的数据组成、实现方式和作用,最后给出了航天器数字孪生体在设计、制造和在轨服务阶段的实施途径,并对航天器数字孪生体的作用进行了总结和展望。     

面向航空发动机研制的数字孪生定义研究

数字孪生是21世纪诞生的一种技术体系和工作模式,目前已经在学术界、工业界和官方研究机构得到广泛研究和实践应用。为了在航空发动机研制中准确运用数字孪生,就必须明确其定义及内涵。在前期通过文献统计分析得到数字孪生定义模型的基础上,对不同研究视角下的典型定义进行分析、归纳,明确数字孪生的核心要素,以及不同要素的相互关系、在数字孪生中的作用。以此得到面向复杂装备研制的数字孪生定义,并结合航空发动机研制的特定实践,将之具象化为航空发动机研制的数字孪生定义。结果表明：面向航空发动机研制的数字孪生定义核心要素是发动机实体、孪生模型、数据和交互,数字孪生以航空发动机实体为实现载体,以孪生模型为实现功能的核心,以数据和交互作为媒介和推动手段,最终达到提高航空发动机质量、保障航空发动机运行的目的。     

数字孪生技术在航空发动机智能生产线中的应用

为探索采用新一代信息技术加快航空发动机数字化转型升级,分析了数字孪生技术的概念和内涵,论述了数字孪生技术在航空发动机设计、制造和服务等业务领域的应用场景,对智能生产线应用数字孪生技术的实现途径进行了分析和验证。实践表明:数字孪生技术与MBD建模、数字线索、虚拟仿真、数据融合等技术相关联,能够进一步优化车间布局和生产节拍,改善工艺设计,实现生产制造过程的准实时监控和动态调整,有利于提高产品生产质量和生产效率。     

压气机数字孪生模型中的仿真技术探索

仿真技术是构建压气机数字孪生体的一种重要手段。为了满足数字孪生过程中准确性和实时性要求,给出了压气机数字孪生模型中的数值模型完备性分析,探索了一种将高性能计算与全环非定常模拟相结合的压气机孪生仿真技术。采用数值完备性定义某S弯进气道中涵道风扇的数字孪生体,从边界条件完备性与几何模型完备性方面分析了不同数值模型对涵道风扇数值孪生结果的影响;再结合现代高性能计算技术提出了一种压气机数字孪生过程中的高效计算技术,并针对某15级压气机开展了多级全环非定常模拟仿真计算。结果表明：满足压气机数值模型完备性要求是实现压气机数字孪生体准确性的前提,同时采用2层次计算模型的高效计算技术是获得压气机孪生模型的一种有效手段。     

模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

为实现多学科信息的融合与沉浸式表达,针对当前虚拟现实技术在航空发动机领域的应用存在多学科信息综合表达不 足、仿真实时性低等问题,开发了一种跨学科异构模型集成仿真的航空发动机沉浸式虚拟运行系统。在信息融合与实时交互方 面,研究航空发动机气动热力性能实时仿真、实时控制、参数化结构建模与仿真、数据实时共享与多学科联合仿真集成等技术,实 现了模型实时驱动的航空发动机虚拟运行功能;在数据可视化及3维渲染方面,研究结构数据轻量化处理技术、实时渲染优化技 术,对温度、压力等流场数据进行实时映射,实现了逼真、流畅的沉浸式实时渲染效果。基于上述研究工作,在中国首次开发了1 套由模型实时驱动、跨学科数据集成的航空发动机沉浸式虚拟运行系统,结果表明：该系统实现了发动机结构、系统和性能模型数 据的关联与交互。相关技术和成果可用于协同设计、沉浸式评审、虚拟培训等场景,为未来实现数字孪生、虚实融合的数字发动机 研发提供关键技术支撑和参考。