民机自动飞行模式设计规范与适航性分析

民机自动飞行系统对降低飞行员工作负荷、提高飞行安全性具有重要作用.分析了自动飞行系统飞行模式设计的相关适航规范要求,研究了模式设计的基本方法和软件开发工具,以及适航符合性验证方法.开发了一种飞行模式设计与仿真平台,基于MATLAB/Stateflow设计飞行模式及其切换机制,采用MATLAB/GUI接收驾驶员操作输入,并调用飞行动力学模型进行实时仿真.形成一个集模式设计、仿真和验证一体化的闭环平台,可用于民机飞行模式的设计和适航性分析.     

考虑几何限制的航向道模式设计

民机自动飞行系统在截获LOC信标切入跑道中心线时,由于空间几何限制导致较大超调,会对飞行安全产生不利影响。针对这一问题,设计了一种考虑几何限制的航向道模式。为了解决LOC线性区外信号不能用于自动飞行指令计算的问题,利用飞行管理系统的现有功能计算出飞机偏离跑道中心线的水平偏差;使用切入点位置和最大滚转角的几何限制作为机动判断条件,同时以进入线性区作为LOC模式的激活条件,使得飞机在达到几何限制时能提前机动。最后,通过仿真对比了采用三种不同LOC截获方法时飞机的响应,仿真结果表明所提出的方法能够有效解决因几何限制导致的LOC截获超调问题。     

航天任务计划工作模式的改进研究

阐述航天任务飞行控制、现有计划工作模式的基本概念,提出计划工作模式改进建议,即定义飞行状态向量、飞行控制规则,在现有非自动闭环控制的基础上设计引入状态反馈回路,增加冲突检测和自动修正功能,实现计划自动闭环输出,形成基于状态和规则运行、适应性强、自动化程度高的改进型计划工作模式。     

基于Matlab的无人机全过程飞行仿真

为了对小型无人机全过程飞行仿真进行研究,根据无人机飞行控制回路和制导回路,搭建了模块化的系统仿真结构,将Matlab/Simulink和Stateflow有机结合起来,建立了易于维护和扩展的仿真环境。利用仿真环境对无人机的控制规律和制导规律进行了仿真,结果表明了控制规律和制导规律的合理性,以及全过程仿真环境的实用性。     

飞行品质仿真计算与试飞数据对比分析

随着飞行控制系统越来越复杂,试飞过程逐渐向数字化过渡。在开展飞行试验前,通过数值模拟对飞机的主要飞行品质参数进行仿真计算,可以为试飞过程提供参考,提高飞行试验的效率。根据某型飞机的风洞试验数据,建立该型飞机的气动力数学模型,基于Flightgear飞行模拟软件搭建功能完备的实时飞行模拟平台,完成飞行品质的数字化试飞。选取典型试飞数据对所建立的气动力模型与数值仿真结果进行验证,结果表明:数值仿真结果与试飞结果具有较好的一致性。     

倾转旋翼机冗余操纵的舵面分配策略和飞行转换路径分析

倾转旋翼机的不同舵面存在冗余操纵,而冗余舵面的分配策略和飞行转换路径对其控制重构具有重要的意义。对建立的小型无人倾转旋翼机全量非线性飞行动力学模型在不同飞行模式下的进行配平计算、模型线化后,求出单位操纵面位移所引起的俯仰、滚转和偏航力矩的改变量,即考察倾转旋翼机各操纵面的操纵功效,并对其结果进行详细分析,以确定倾转旋翼机的冗余舵面控制重构能力;确定各飞行模式下倾转旋翼机的操纵方式,给出舵面分配策略的权重系数矩阵;在此基础上,提出三种不同的全模式飞行转换路径方案,并分别计算三种方案下倾转旋翼机的飞行速度与前倾角、姿态角及操纵量的关系。结果表明:三种方案都能实现对飞行器的合理操纵,表明倾转旋翼机的冗余舵面控制重构是可以实现的。     

飞机航路飞行的自动飞行仿真

给出了航路飞行自动飞行仿真的总体框架,介绍了采用分段线性函数描述控制指令的机动指令生成器算法,对机动指令跟踪器的控制律结构进行了设计,并对其参数进行了整定与调整。采用飞机六自由度模型对航路飞行过程进行了自动飞行仿真。仿真结果表明,飞机能够较好地完成航路飞行仿真任务。     

战机空战自动攻击引导系统仿真设计

详细介绍了空战自动攻击引导仿真系统,包括模拟座舱、左右操纵台和计算机网络,着重介绍了该系统飞行仿真计算机、虚拟仪表计算机和DSP等各模块所完成的功能,给出了主要程序模块及运行流程。对其中主要技术难点进行了分析,进而提出了具有针对性的解决方案。经过调试和试验,系统工作可靠,可以用于现代战机自动攻击引导律的研究。     

民机垂直飞行模式设计与仿真验证研究

自动飞行系统是现代民机的关键飞行系统,对降低飞行员工作负荷、提高飞行安全性具有重要作用。分析了自动飞行系统的俯仰和自动油门工作模式的相关适航规范设计要求,结合B737NG飞机的垂直飞行模式实例,分析了飞行模式的工作原理和设计方法。研究了一种综合飞行模式设计、仿真与验证一体的桌面式仿真平台,在飞行仿真模型的支持下,通过图形化输入界面接收操作事件输入、经模拟综合显示仪表反映飞行模式及当前飞行状态。通过起飞和进近着陆飞行过程的模拟,对上述仿真平台的功能进行了闭环验证。     

基于最优分配的复合式高速无人直升机纵向控制设计与验证

高速直升机因其独特构型造成过渡段操纵复杂，控制系统设计难度大。本文针对复合式共轴双旋翼高速无人直升机，设计了全飞行模式控制，为高速直升机的安全飞行提供理论基础。采取分块建模思路，搭建了无人直升机数学模型，设计了过渡模式的操纵策略。采用经典控制理论设计了低速模式和高速模式纵向飞行控制律，低速模式时,为提高位置响应的快速性，直接采用并行控制结构，将位置指令引入姿态通道；高速模式时，在俯仰通道引入航迹倾斜角补偿损失高度。针对过渡段的控制分配问题，分别考虑速度和操纵面反应速度快慢的影响，设计分配权值，采用加权伪逆法进行最优分配求解。仿真结果表明，所设计的纵向飞行控制律可以有效合理分配过渡段的不同操纵量，实现平滑过渡飞行。     

组合升力体动力学建模与仿真

设计了组合升力体总体布局,提出了新的组合升力体建模思路与方法,建立了完整的组合升力体飞行动力学数值仿真模型。建模时综合考虑了主要气动力部件的建模,详细讨论了旋翼／固定翼过渡飞行模式的建模方法。根据提出的建模方法进行了组合升力体的操纵响应分析,仿真结果证明了建模理论和方法的合理性和有效性。     

综合控制系统研究及其仿真

研究了综合火力/飞行/推进控制系统原理及其各个子系统的控制律设计方法,研究通过飞行、推进、火控等系统的综合实现自动飞行、自动攻击的原理,并利用VC 和Open GL联合开发了综合控制仿真、设计平台,结合有效的任务管理及控制律剪裁,实现了灵活的系统运行配置,将设计平台和仿真平台集为一体,并将多个系统的综合、测试、仿真在一个平台上实现。最后通过数字仿真表明,综合控制系统明显地提高了飞机综合化、自动化水平,也验证仿真平台达到了设计要求。     

待机状态下机翼结冰的快速计算方法

飞机在飞行过程中遭遇结冰气象,尤其是过冷大水滴结冰条件所导致的机翼结冰,将严重影响飞机的气动性能与操纵品质,从而导致飞行故障或飞行事故,是飞机飞行安全的重要影响因素,是飞机研制中必须重点解决的难题。虽然针对结冰已建立有多种计算仿真程序,但快速获得结冰模拟冰形,包括过冷大水滴条件下的结冰模型是工程师们一直追求的解决方案。利用前向多层神经网络,尝试建立了一种针对待机状态下的机翼结冰模型。此方法基于坐标转换原理,将获取的采用直角坐标表达的标准翼型的机翼结冰数据转换为对应的极坐标表达的数据,以飞行参数、气象参数和极坐标角度作为输入,极坐标模值作为输出训练构建出此种机翼结冰模型。使用所建立的模型,仿真预测结果表明该计算方法具备快速性和精确性,其计算精度可满足实际要求。     

波音737自动捷联惯导系统建模与仿真

分析了真实飞机上惯性导航系统的基本原理,加速度计和陀螺仪工作原理及其测量输出参数。结合航空仿真技术发展和全任务飞行模拟器样机的任务需求,在MATLAB/SIMULINK平台上构建捷联惯性导航仿真模型;利用RT-LAB平台构建分布式飞行仿真系统,实现导航外部特性的半实物仿真;建立导航数据库,用于导航计算以确定飞机即时位置以及导航台自动调谐管理。将导航系统仿真模块作为整个系统仿真中的一个节点,实现与模拟机自动驾驶仪系统进行信息交互,从而实现自动导航。     

倾转三旋翼无人机过渡模式纵向姿态控制

对倾转三旋翼无人机过渡模式下定高转换的纵向姿态控制进行了研究,为提高纵向操纵效能、解决操纵冗余问题,设计了模态转换中的操纵控制方案;采用牛顿-欧拉法对飞机进行动力学建模分析,建立了纵向动力学模型并给出了过渡转换路径;通过操纵效能分析对两种操纵机制进行分配,给出了操纵分配的权重和控制律.仿真和实验样机飞行试验地面站数据分析结果表明,按照所设计的操纵分配方案和控制律对飞机过渡模式进行纵向控制,能够使飞机保持平稳过渡.     

基于Stateflow的 无人机多模态控制转换逻辑设计

针对基于Simulink建立的无人机飞行管理系统存在逻辑复杂、全飞行状态航迹仿真建模繁琐等缺点,文章利用有限状态机建立无人机全状态、多种导航控制模态下的控制和逻辑切换流程,并结合飞行管理系统、飞行控制系统和无人机运动学模型建立无人机全状态仿真系统,通过仿真对飞行工作模式的切换效果进行了验证。     

高超声速飞机动力装置技术验证

涡轮基和模态转换技术是需要重点攻关的高超声速飞行动力技术。美国长期把研究重点放在超燃冲压发动机技术的研发上,对高速涡轮发动机技术关注不够,以致超燃冲压发动机技术已经通过了飞行验证,而高速涡轮发动机技术还尚待成熟,两种工作模式的转换也还需要进一步验证。     

“转换”飞行汽车成功首飞

被誉为世界上第一个真正的飞行汽车——“转换”（Transition）,在3月10日成功进行了首飞。飞行员评价是,只需按一下按钮就可以很容易在飞机和汽车模式之间转换,飞行特性几乎与飞机一样。制造商表示,“转换”飞行汽车在2010～2011年就可以投放市场。     

倾转旋翼机过渡段纵向姿态控制技术研究

针对倾转旋翼机既存在拉力矢量控制又存在气动舵控制的复杂操纵特性,在纵向模型的基础上,给出了过渡段操纵控制方案和过渡段转换控制方案。对过渡段平衡点进行配平,计算得出配平工作点处各通道的操纵量,并设计了走廊曲线。采用PID控制和模糊整定技术对过渡段飞行控制系统进行设计,实现了倾转旋翼机从直升机模式到固定翼模式的平稳转换,并保持高度不变。仿真结果验证了所设计的过渡段控制方案的正确性和可行性。     

自动增稳飞机操稳特性的快速评估

针对飞机总体设计阶段对自动增稳飞机设计方案的操稳特性快速评估的需求,开发了一个操稳特性的快速评估系统。实现该系统的步骤是:(1)应用DATCOM计算气动特性数据;(2)利用线性化的动力学方程确定飞机本体的操稳特性;(3)利用Simulink构建包括飞控模型的全机仿真模型并进行仿真分析。各部分功能程序通过iSIGHT软件集成,实现快速自动运行。最后以一种飞翼布局无人机来验证该系统的有效性。研究表明:该系统可以快速进行本体的操稳特性分析、控制律设计以及飞行仿真分析,能满足飞机总体设计的需求。