Strapdown inertial navigation system algorithms based on dual quaternions

The design of strapdown inertial navigation system (INS) algorithms based on dual quaternions is addressed. Dual quaternion is a most concise and efficient mathematical tool to represent rotation and translation simultaneously, i.e., the general displacement of a rigid body. The principle of strapdown inertial navigation is represented using the tool of dual quaternion. It is shown that the principle can be expressed by three continuous kinematic equations in dual quaternion. These equations take the same form as the attitude quaternion rate equation. Subsequently, one new numerical integration algorithm is structured to solve the three kinematic equations, utilizing the traditional two-speed approach originally developed in attitude integration. The duality between the coning and sculling corrections, raised in the recent literature, can be essentially explained by splitting the new algorithm into the corresponding rotational and translational parts. The superiority of the new algorithm over conventional ones in accuracy is analytically derived. A variety of simulations are carried out to support the analytic results. The numerical results agree well with the analyses. The new algorithm turns out to be a better choice than any conventional algorithm for high-precision navigation systems and high-maneuver applications. Several guidelines in choosing a suitable navigation algorithm are also provided.     

基于均匀化方法的缝纫层压板拉伸弹性模量有限元预测

利用均匀化方法研究缝纫复合材料层压板的弹性性能，给出了相应的数学分析模型。建立了有限元分析的单胞模型，并进行求解。计算结果表明，利用这种半解析模型可以得到缝纫层压板的弹性模量的上下限，其平均值与实验结果平均值吻合得很好。     

弹塑性梯度材料热机耦合分析的有限元方法

陶瓷/金属功能梯度材料(FGMs)的组份及性能梯度分布,在航空航天高温热结构中有重要应用。材料性能在空间上的连续变化给这类结构强度设计的有限元分析造成了一定困难,针对上述问题,提出一种热弹塑性梯度有限元方法。该方法通过编写有限元软件ABAQUS的材料用户子程序(UMAT)来实现,在UMAT中将FGMs的弹塑性本构模型参数定义为空间坐标的函数;用热弹塑性梯度有限元方法对陶瓷-FGMs-金属典型的三明治板结构进行热机械分析。结果表明:FGMs组分布函数对其热应力分布有很大的影响,特别是在三明治结构的界面上,影响更为突出,这和现有文献的实验结果相符。     

考虑旋翼调制影响的直升机RCS特性分析及评估

考虑旋翼调制的影响,建立了适合于直升机全机雷达散射截面(RCS)特性计算的“面元-边缘法”.兼顾计算效率和精度,在外形变化剧烈地区域,网格进行加密处理,并保证电磁网格密度和尺度满足雷达波波长大小的比例关系.以桨盘倾倒方式计入桨叶的挥舞和变距运动,采用准静态法模拟旋翼对全机RCS特性的影响.分析了某直升机RCS极化、姿态、频率响应特性,并根据直升机RCS和雷达探测距离关系,提出了4级预警机制和角域范围.研究表明:旋翼转动时全机RCS动态响应具有连续性和对称性,振荡区散射水平强,RCS幅值为-5~12dB ·m2;奇数片桨叶比偶数片桨叶的RCS减缩2~5dB ·m2,且有利于控制直升机RCS包络线和散射峰值的时域响应,增强雷达隐身性能.      

航空发动机第1级风扇叶片鸟撞研究

针对目前对鸟体撞击风扇部位影响分析不全的问题,计算了鸟体飞向叶片不同部位和穿过支板间隙的概率,在此基础上分析了鸟体撞击旋转状态第1级风扇叶片不同位置的概率。基于数值模拟技术,建立了鸟体撞击叶片的有限元模型,模拟鸟撞击风扇叶片叶尖、叶中、叶根部位,在分析引起叶片不同位置塑性变形的基础上,进一步确定了风扇损伤最大的位置。针对4种不同的鸟体撞击速度,对发动机第1级风扇叶片鸟体撞击部位损伤进行了分析。得到鸟体穿过叶尖部位支板间隙的概率约为50%,撞击叶尖部位概率约为16.7%,是最容易撞击的部位,受到的损伤也较大。计算结果可以为确定发动机风扇叶片鸟体撞击损伤提供参考。     

航空发动机加力燃烧室跨流气冷稳定器流场研究

针对1种航空发动机加力燃烧室用引气冷却的跨流稳定器结构形式,采用标准k-ε湍流模型数值模拟方法,对其流场结构进行了分析和研究,将数值计算结果与封闭风洞中PIV流场测试结果进行了对比。结果表明:跨流气冷稳定器流场结构复杂,呈3维分布,环形稳定器后方的流场结构与普通钝体的类似,带后掠角的径向稳定器后方回流区与环形稳定器回流区互相耦合为整体,与沿环形稳定器展向的回流区形成高度一体的复杂回流区结构,形成稳定的低速区,起到良好的火焰稳定作用。     

放宽静稳定性大型客机的LQR控制律设计

论述了法向过载信号反馈在放宽静稳定性大型客机自动驾驶仪增稳控制中的作用。在自动驾驶仪纵向内回路控制律中引入法向过载信号,构成了国际先进客机的C*控制律构型;反馈系统的输出信号,选用LQR设计方法同时闭合客机纵向的内回路和姿态、油门回路,形成了输出跟踪器,并设计了性能指标与反馈参数。以B707为例,建立了其着陆进近阶段的非线性模型,配平并线性化,用获得的控制律进行数字仿真验证。结果表明,内回路增稳效果良好,C*响应曲线在最佳响应区,姿态响应和速度保持都达到了满意的效果。     

目标短时遮挡下的光电平台目标跟踪预测与控制

无人机在高空飞行并跟踪地面目标的过程中,当目标受到障碍物遮挡,会导致跟踪失败。本文建立了目标相对无人机的运动模型,设计了基于卡尔曼滤波的目标预测器,并在目标遮挡发生时利用目标角位置预测值以及姿态锁定回路实现了对目标的预测跟踪。本文运用相似性原理设计了室内目标跟踪场景。仿真和试验证明,本文所设计的预测器能较好的预测目标角位置,与控制回路相结合能克服短时间的目标跟踪丢失。     

基于FPGA的半球谐振陀螺频率跟踪技术

半球谐振陀螺谐振频率的跟踪精度与稳定性很大程度上决定了陀螺的性能。通过分析半球谐振陀螺的频率特性以及锁相环基本原理,设计了基于锁相环的半球谐振陀螺频率跟踪方案,并用FPGA进行全数字化实现。半球谐振陀螺采用真空封装,内部温度难以测量,然而其谐振频率与温度具有很好的线性相关性,因此可采用谐振频率对陀螺温度进行测量。传统的频率跟踪方案一般采用模拟锁相环实现,其缺点是频率值隐含于输出的正弦波中,无法供后继测量模块使用,本文所设计的FPGA全数字方案可弥补这一缺陷。根据陀螺谐振频率与温度之间的关系,给出了利用跟踪频率测温的分辨率公式并进行了相关实验。实验结果显示,谐振频率为4440Hz时频率跟踪稳态相对误差可达10-7量级,利用跟踪频率测温的分辨率可达0.0042℃。     

固体火箭发动机硅橡胶密封圈贮存寿命分析

利用某硅橡胶密封圈加速老化性能数据,采用逐次逼近以及数据拟合方法,推导出幂指数老化模型参数,获得该硅橡胶老化反应速率以及老化性能规律,该硅橡胶材料100℃下老化约30 d相当于常温(25℃)下贮存15 a;开展了压缩永久变形状态下密封圈应力分析,获得密封圈老化后应力分布,密封圈有压缩永久变形时最大接触应力小于无压缩永久变形时,30％压缩量、30％压缩永久变形率时最大接触应力水平与25％压缩量、无压缩永久变形时基本一致;建立不同老化状态与应力状态相关性,以30％压缩永久变形率为老化指标,该硅橡胶密封圈的贮存寿命约为12.4 a.