共轴式直升机半差动航向操纵的动态响应分析

根据经典的垂直飞行涡流理论及共轴式直升机半差动航向操纵的结构特征,推导了共轴双旋翼直升机垂直飞行的航向动力学方程.运用有关共轴双旋翼在悬停及垂直飞行状态时气动特性的理论和实验数据,得出了共轴双旋翼直升机垂直飞行航向动力学方程的解析式.分析结果与该型直升机飞行特性一致.     

基于自由尾迹的共轴直升机航向/总距解耦分析

共轴式直升机的航向操纵主要依靠上下旋翼的总距差动实现,在总距和航向操纵上有较强的耦合.利用自由尾迹算法对在研小型共轴式直升机悬停时的航向和总距间的解耦进行了计算,得到了悬停时航向与总距操纵时上下旋翼的总距配合曲线,总结了解耦控制的特点并根据数值计算结果拟合出了近似的解耦函数,计算结果对飞控系统的设计具有重要的指导意义.      

无人直升机地面监控电子地图的设计与实现

为满足共轴式无人直升机飞行实时监测的要求,在Windows平台下,设计了地面监控系统中的电子地图导航模块,配合系统的显示模块、任务规划执行模块和通信模块,实现了飞行参数获取、航迹规划、飞行航迹实时显示等功能.介绍了电子导航地图的功能,分析MapInfo组件的功能和特点,阐述在Visual C+ +环境下基于MapInfo组件开发共轴式无人直升机地面监控系统电子导航地图的方法.通过引入MapX控件和应用MFC(Microsoft Foundation Classes),实现系统对共轴式无人直升机的监控和电子导航地图的经纬度范围的自适应调整,在电子导航地图应用上提出了一套简单全面的实践方案,同时给出了方案的实现步骤和部分关键代码.      

强气流扰动下无人直升机自主导航技术发展与展望

无人直升机在低空、山区、海面飞行时，极易受到危及其飞行安全的强气流干扰，提高强气流扰动下无人直升机的自主导航性能对于其飞行安全具有极其重要的意义.本文对强气流扰动下无人直升机自主导航技术的发展过程、现状和趋势进行总结展望.文章在阐述无人直升机相关概念的基础上，分析了影响无人直升机导航性能的强气流扰动特性和建模方法，说明了强气流扰动对无人直升机及其导航系统的影响情况，基于无人直升机导航系统总结了对强气流扰动进行测量、估计的方法，并根据研究现状展望了未来强气流扰动下无人直升机的自主导航研究发展趋势.对无人直升机自主导航中强气流扰动的有效解决能够有助于提高直升机在复杂环境下的飞行和导航性能，促进我国无人直升机自主导航技术的发展.     

直升机尾桨完全失效后自转着陆轨迹优化

为了研究直升机尾桨完全失效后自转着陆的最优轨迹和操纵过程,建立相应的飞行动力学模型并采用最优控制方法进行计算分析。建立直升机6自由度刚体飞行动力学模型,在模型中加入可以描述尾桨完全失效和自转着陆阶段发动机出轴功率以及旋翼转速变化的相关方程,并将直升机尾桨完全失效后的自转着陆问题转换为非线性最优控制问题进行求解。以某型号单旋翼带尾桨直升机为样机,计算空中停车自转着陆过程,并与飞行试验数据进行对比,验证了所建模型和最优控制方法的准确性。计算分析该型号直升机在以巡航速度下前飞时,尾桨完全失效后自转着陆的最优轨迹和操纵过程。从结果可以看出:尾桨完全失效时,直升机在旋翼反扭矩的作用下会产生较大的偏航角速度和侧滑角变化,进而产生复杂的耦合运动,驾驶员在关闭发动机进行自转着陆操作的同时,还需要通过操纵横向周期变距稳定滚转角,并以侧滑的方式来稳定横航向的姿态角,最后安全着陆。计算得到的最优轨迹和操纵过程,与工程试飞得出的定性的结论和建议相符。      

无人直升机LPV控制律设计

针对无人直升机航迹控制要求,提出一种基于线性变参数(LPV)控制理论的无人直升机一体化式飞行控制律设计方法,通过速度、侧滑角、高度和偏航角控制通道的显模型跟踪控制,实现无人直升机航迹控制。建立了无人直升机高阶非线性动力学模型,模型中考虑了旋翼桨叶挥舞和摆振运动、旋翼动态入流、机体运动之间的运动耦合,用于检验直升机高阶运动特性对控制律性能和闭环系统稳定性的影响。由于无人直升机的非线性动力学模型是典型的周期性系统,基于简谐平衡方法进行无人直升机的配平和模型线性化计算,在速度包线内得到用于控制律设计的无人直升机LPV模型,通过凸函数优化方法求解LPV控制律的参数。基于典型直升机机动,采用数值仿真方法对LPV控制律在传感器噪声影响下的控制性能进行检验,仿真结果表明：LPV控制律在速度包线内具有良好的控制性能和鲁棒性,无人直升机闭环系统在机动飞行中满足给定的性能要求。     

基于DE算法的共轴直升机模型辨识及精度分析

由于共轴直升机特有的旋翼布局引发了上下旋翼间强烈的气动干扰,采用传统的理论分析和风洞试验的方法难以获得适用于共轴直升机控制系统的飞行动力学模型.为此,设计了飞行扫频试验,根据飞行试验数据得到了悬停状态下包含共轴直升机飞行动力学模型耦合特性的非参数频率响应,运用仿生智能计算方法中的微分进化(DE,Differential Evolution)算法拟合频率响应建立了悬停状态下的共轴直升机状态空间模型.利用Cramer-Rao边界和不灵敏度的相关理论进行分析计算,说明辨识得到的参数具有较高的精度和可信度.通过比较辨识模型的输出和实际飞行数据的结果,说明辨识得到的模型能充分反映共轴直升机的飞行动力学特性,可用于飞行品质评估和飞控系统设计.     

悬停状态下小型共轴直升机操纵响应特性分析

从在研共轴双旋翼直升机的工程实际出发,建立了悬停状态下旋翼非定常气动特性的计算模型.引入Leishman-Beddoes指数函数的半经验公式,建立了二维翼型非定常气动模型;引入干扰因子到动态入流模型,建立了反映共轴双旋翼直升机上下旋翼气动干扰的诱导速度模型;从桨叶的挥舞动力学模型出发,利用四阶Runge-Kutta算法求解桨叶刚性挥舞角的数值解.通过计算分析,得到了悬停状态,总距突增时上下旋翼升力和扭矩的动态响应特性,并分析比较了半差动和全差动航向控制方式的操纵响应差别,为共轴式直升机机动特性的研究作了必要的准备.      

极地科考小型无人飞行器

针对小型无人飞行器在极地科考中的抗风扰动问题,通过神经网络改进卡尔曼滤波算法,提高小型无人飞行器对环境的适应性.基于小型无人飞行器自身状态信息与误差信息,在线调整系统的量测噪声和估计参数,提高信息融合精度;利用矢量域方法构建轨迹跟踪控制算法,基于目标航迹在线调整航向,提高小型无人飞行器在顺风、逆风、转弯的飞行品质和压航线精度.经过大量的仿真试验、实际飞行试验验证了方法的有效性,改进的卡尔曼滤波算法可以提供长时高精度信息,小型无人飞行器可以在野外6级风源扰动的情况下,实现稳定飞行,平均误差不超过10m.小型无人飞行器在南极实地科考中得到成功应用.     

基于双ARM的无人直升机飞控导航系统设计

将两片基于ARM(Advanced RISC Machine)内核的微控制器应用于某型共轴式无人直升机飞控导航系统的CPU(Central Processing Unit)模块,连同电源及舵机信号处理模块、信号处理及接口模块形成一个高度集成的嵌入式飞控导航计算机,提供的8路异步串行通讯接口、8路数字信号口,与组合导航设备、信号调理设备、收发电台和姿态稳定系统与舵机等外围设备连接构成一套完整的无人直升机数字式飞控导航系统,另配置了16 MB FLASH(Flash Eeprom)用于任务与飞行状态数据记录,并基于ADS(ARM Developer Suite)集成开发环境编制了系统的飞控与自主导航软件.经地面检测与调试,该系统运行情况良好.     

用面向对象方法设计无人直升机信息处理系统

面向对象的设计方法在系统设计中得到了越来越广泛的应用.地面信息处理系统是无人机的重要组成部分,在无人机执行任务过程中,地面信息处理系统提供的无人机的飞行参数和设备参数是飞行员实施监控的依据.分析了共轴式无人驾驶直升机地面信息处理系统的特点和需求,应用面向对象的设计方法,设计了无人机测控地面站信息处理系统,该系统具有易重复使用、易改进、易测试、易维护和易扩充等特点.经过多次试飞证明,该系统满足飞行要求.     

基于Windows平台的无人机导航地面测试软件的设计

介绍了共轴式无人直升机导航地面测试软件的功能模块,讨论了该软件的设计问题,该软件基于Windows平台开发,具有直观与完备的可视化界面,简便易学的操作等特点,该软件已成功地应用于某型无人驾驶直升机的导航控制系统中.     

无人直升机综合飞行控制系统设计

提出遥控－自主控制型无人驾驶直升机控制－仿真综合飞行控制系统设计概念,基于无人直升机自身的控制－仿真综合飞控系统可进行工程闭环飞行仿真,不论在研制阶段或使用阶段都可对无人直升机系统的飞行性能、飞控系统硬软件特性及可靠性、任务飞行参数预设置等进行深入的验证,地面飞控人员也可以在真实的系统上进行逼真的训练。此外控制－仿真综合飞控系统能通过飞行实践不断完善系统性能和在线检测系统异常,提高飞行安全性。提出     

武装直升机射击后座力补偿控制系统设计

武装直升机武器发射时的后座力会引起载机运动参数的变化,进而影响武器的射击精度,它实质上是一种扰动响应现象.为了减小这些影响,提出了基于非线性H_∞方法的后座力补偿控制方案. 首先利用飞行器六自由度动力学方程,通过分 析求解Hamilton-Jacobi偏微分不等式,得到鲁棒的期望力和力矩指令.然后根据直升机气动力和力矩的推导公式,采用迭代算法对期望值进行逼近,得到实际的桨矩操纵量.最后结合飞行控制系统和后座力干扰参数进行了仿真验证,仿真结果表明所设计的控制系统具有较好的性能和稳定鲁棒性,能有效抑制后座力对机体运动状态的扰动.      

无人驾驶直升机遥测系统设计及其实现

无人驾驶直升机要求其遥测系统能够在直升机高机动飞行的情况下确保遥测数据的可靠性;地面遥测设备要求简洁、高效、可靠以适应车载移动地面站安装使用.论述了无人驾驶直升机的参数测量、通信链路保障、以及遥测数据处理的设计与实现方法.该系统已经参加了多次外场试飞试验,实践证明其工作稳定可靠.      

基于零速修正与姿态自观测的惯性行人导航算法

针对惯性行人导航中航向角发散致使导航精度降低的问题,提出了一种基于零速修正与姿态自观测的惯性行人导航算法。通过四条件零速检测算法对行走步态中的零速区间进行检测。在检测得到的零速区间内,利用零速修正算法原理构造速度误差的观测量;利用零速区间内行人脚部与地面保持静止、只受到重力加速度及姿态角不变的特性,构造姿态角误差的观测量。应用卡尔曼滤波对零速区间内的姿态角、速度及位置的误差进行估计。利用得到的误差状态估计结果对行人导航进行误差校正,提高惯性行人导航的精度。实验表明:小范围矩形路径中,所提算法的导航轨迹相对误差平均值仅占总路程的0.98%,比零速修正算法减小了78.11%;导航轨迹误差标准差仅为0.14 m,比零速修正算法减小了88.62%;400 m标准操场闭合路径中解算终点相对位置误差仅为1.18%。解算轨迹与实际轨迹匹配度较高,具有良好的应用价值。      

传递对准中机翼弹性变形建模与滤波处理

针对机翼弹性变形对传递对准的较大影响,提出采用双激光测距方法对不同挂点弹载子惯导系统的机翼弹性变形进行在线量测,利用AR(n)模型来简化ARMA(p,q)模型进行机翼弹性变形的在线建模.建模中采用递推最小二乘法估计模型参数,利用模型估计残差的F检验法确定模型的阶数.最后,根据机翼弹性变形模型并结合快速对准匹配方法设计了考虑多阶有色观测噪声的传递对准滤波器.仿真试验验证了这种机翼弹性变形在线建模方法和考虑有色观测噪声的对准滤波器的可行性和有效性,为机载导弹提供了一种有效的快速精确传递对准方法.     

前飞旋翼三维湍流场的数值模拟

采用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,分析正常前飞和近地前飞时直升机的流场与性能.在直角坐标系中,采用有限体积法和压力耦合方程的半隐式法SIMPLER(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Revised)算法求解三维定常不可压的湍流N-S(Navier-Stokes)方程.在分析中,旋转的螺桨被描绘成沿螺桨桨叶展向分布、与本地流动参数相关以及时间平均的动量源项.计算方法还包括K-ε湍流模型和壁面函数法等措施.流场分析和性能预测同实验测量数据的良好的一致性表明,这种CFD方法可以有效的分析直升机的具体设计问题.      

主成分回归的建模策略研究

分析了国际上通用的主成分回归的工作原理和失效原因.在此基础上,提出一种新的主成分回归建模策略:①提取所有主成分建立模型;②删除模型中t检验不显著的成分;③用t检验显著的成分建立最终需要的模型.由于任一主成分的回归系数和t检验值以及与其余主成分无关.因此,当采用向后删除变量法时,如果有多个成分t检验不显著,则可以将它们同时删除,而无须逐个删除.采用仿真案例对所提出的方法的合理性进行验证.这种新的建模策略可以有效地提取对因变量有较强解释作用的成分,实现在自变量多重相关条件下的回归建模,并且允许在模型中包含所有的原始变量.此外,该方法的成分筛选过程简便,累计计算误差小于偏最小二乘回归等迭代算法.