审定类民用无人机飞机级功能危险性分析

基于无人机"人机分离"的特有设计特点和运行限制条件,以国内某大型民用无人机为例,对我国审定类民用无人机的安全性评估方法进行了研究。通过定义无人机系统的飞机级功能,并对无人机功能失效状态概率基准的分析,建立了适合于无人机的安全性指标;开展了无人机的飞机级功能危险性评估过程,分析失效状态对无人机、机组人员、地面人员和空中其他飞行器的危害影响并划分了失效状态的危险严重等级。     

人因工程在无人机中的应用及展望

近年来,无人机得到了越来越广泛的应用。将人因工程应用到无人机的设计中,能提升无人机操作的安全与效率。本文总结了无人机的界面评估方法和工具,对比了无人机驾驶员工作负荷的主观测量及生理测量方法,并提出自动化、多感觉通道等未来研究切入点,为无人机适航规章及标准的出台和完善提供参考,进一步提升无人机的安全性。     

尾梁边条对直升机气动性能影响试验研究

为克服旋翼产生的反扭矩,目前直升机上主要采用单旋翼带尾桨、双旋翼等布局方案,同时发展了尾梁环量控制及尾梁边条技术。本文应用旋翼/机身组合模型风洞试验方法,探究了尾梁边条对直升机悬停及前飞性能的影响。重点研究了悬停及不同前飞速度下,不同长度和不同安装角度尾梁边条对直升机气动性能的影响。试验结果表明,悬停状态尾梁边条可通过提供侧向力来增加机身扭矩,能够帮助尾桨卸载从而减少尾桨功率消耗。而前飞状态尾梁边条对直升机气动性能基本没有影响。     

基于智能变距拉杆的旋翼平衡实时调整方法

旋翼不平衡是造成直升机振动的重要原因,而传统旋翼平衡调整是一种定期维护方法,耗时长且无法长时间保持维护后的振动水平。本文研制了一套基于智能变距拉杆的旋翼平衡实时调整（In flight tuning,IFT）系统,可以根据计算机发出的数字指令控制智能变距拉杆长度实现桨叶变距输入,进而完成旋翼动平衡调整。试验发现智能变距拉杆杆端位移量对旋翼转频振动分量的影响呈线性规律,由此确定拉杆调整系数矩阵。当获取旋翼不平衡振动信息后,根据相位选择相应拉杆作为调整器,根据振幅在调整矢量方向投影的大小关系设计了调整策略,得到拉杆完成平衡调整所需的位移量。通过旋翼塔试验验证了该方法的有效性,结果表明该方法可以在直升机飞行过程中实时降低旋翼振动水平,有效提高了旋翼动平衡调整效率。     

风云四号卫星双程测距系统精密轨道确定

针对我国新一代静止轨道卫星风云四号高精度轨道计算需求,地面跟踪系统设计了多台站双频双程测距模式。详细给出了信号传播介质改正中的电离层与对流层处理方法,并给出了风云四号卫星动力学轨道确定策略。在非变轨期间,采用动力学定轨方法。轨道确定残差分析,测量噪声均方根优于0.5 m。通过轨道重叠分析,非变轨期间精度优于20 m。动量轮卸载期间,采用估计经验力的方法,其定轨残差优于1 m。对多弧段数据处理表明文中方法满足同步卫星双程测距模式下的高精度轨道跟踪问题。     

复杂不确定性下多无人机的抗扰时变编队控制

针对存在不确定非线性动态和外部时变干扰的多无人机系统的时变编队问题,提出了基于扩张状态观测器(ESO)的抗扰编队控制方法。首先建立了分布式ESO来估计多无人机系统的不确定性,基于ESO的输出提出了抗扰编队控制律,并提出一套算法来对控制律进行参数选定。然后,通过分析得到基于该控制律下,多无人机系统实现抗扰时变编队所需要的充要条件,并最终严格证明了在满足编队充要条件和基于提出的控制律下,多无人机系统可以稳定实现抗扰时变编队。最后仿真结果表明理论方法的有效性。     

基于积分器初值的无人机飞行控制律平滑切换方法

针对无人机自主飞行过程中多组复杂控制律之间的切换问题,提出了基于积分器初值的控制律平滑切换方法。通过将复杂控制律的各个环节进行形式变换,拆分成由比例和积分组成的基本单元结构;然后以舵面平滑切换为目标,依次递推出复杂控制律中所有积分器的初值,实现不同控制律之间的平滑切换。仿真验证了复杂飞行控制律之间平滑切换方法的有效性。     

基于受限参变率的飞翼无人机舵面阵风减缓控制

飞翼无人机具有俯仰惯量低、纵向稳定性弱等问题,使其阵风响应对飞行参数的变化较为敏感,并且飞翼无人机的舵面较多,不同的控制策略下阵风减缓的效果不同。因此,对这类飞行器进行考虑参数变化率阵风减缓线性变参数（LPV）控制律设计,并对不同舵面组合方式的控制性能展开对比研究。结合参数依赖的Lyapunov函数方法和变参斜投影降阶算法,构建了同时考虑参数变化率限制和模型降阶条件的LPV阵风减缓控制器。基于该方法对Mini-MUTT飞翼无人机模型设计LPV阵风减缓控制器;探究了不同舵面控制策略对减缓效果的影响。结果表明:采用变参斜投影降阶算法得到的降阶模型可有效表征全阶模型的动力学特性;设计的LPV阵风减缓控制器能够保证阵风在较宽速度范围内有效减缓;在单一舵面阵风减缓中,置于外侧的舵面控制效果优于内侧舵面;而在双舵面阵风减缓中,双舵面的控制效果优于单一舵面,但控制所需输入能量也会增加。在工程应用中需要针对具体问题,综合考虑控制效果和能量消耗以确定合适的控制策略。      

基于Hamilton体系的Lagrange方程盒式倾转旋翼无人机建模

针对倾转旋翼飞行器动态倾转过程中动力学建模问题进行了研究。首先,从多体动力学出发,以某盒式倾转旋翼无人机为算例,将该无人机假设成由机翼、机体、涵道风扇、倾转旋翼等组成的多刚体系统。其次,通过不同刚体质心间的位移约束,建立该无人机系统的非保守力和力矩矩阵,以及动能、势能、余虚功和逆势能模型。最后,分别基于Hamilton体系下的Lagrange方程和第二类Lagrange方程推导并建立了该盒式倾转旋翼无人机的动力学模型。仿真结果表明:两类Lagrange方程所建动力学模型的仿真结果与实验数据一致,验证了所提建模方法的合理性;在倾转旋翼转速不变的情况下,倾转过程所用时间越长,无人机掉高越少,轨迹越光滑,但输入能量越多,具体倾转过程的设计要根据实际输入能量、倾转时间等需求进行确定。      

复杂低空物流无人机路径规划

针对复杂低空物流无人机路径规划问题,考虑空域环境、运输任务等内外限制,以飞行时间、能耗及危险度最小为目标函数,建立多限制条件物流无人机路径规划模型,设计启发算法以快速解算路径。采用栅格法对规划环境表征,引入物流无人机性能约束确保路径可飞。针对A*算法存在的问题及物流无人机航空运输特色,引入栅格危险度因子、货物质量惩罚系数,增加飞行时间、能耗等代价以提升避障能力、降低成本。为匹配所提启发算法解算效率与精度,采用动态加权法对函数赋权。为筛除冗余路径点及保证平稳飞行,采用双向交叉判断法等对原路径优化平滑。为验证所提路径规划模型及启发算法的有效性,对比4种算法规划结果,分析栅格粒度大小与代价权重值对结果的影响。在既定的运输环境及物流无人机性能约束下,研究结果表明:所提算法与A*算法相比,保证了物流无人机飞行安全、能耗少,将飞行时间由406 s降至386 s,降低了5%;飞行路径点数为129个、栅格危险度因子为11.69,降低了姿态改变次数,保证了运输安全;当栅格粒度大小为5 m,代价权重值为0.4、0.1、0.5时,采用所提算法规划的路径最佳。