昆虫悬停飞行的动稳定性：理论分析与数值模拟

首先，从昆虫（身体和拍动翅）的动力学方程和N—S方程出发，在一定假设下，将运动方程简化为6自由度刚体的方程，并用线化理论给出了反映昆虫悬停飞行纵向动稳定性的理论解。然后，用完全的动力学方程和N—S方程偶合的数值解对上述理论的简化假设进行了检验。

空间站机械臂捕获悬停飞行器试验系统设计与验证

捕获悬停飞行器是中国空间站机械臂的关键任务之一,由空间站机械臂实现悬停飞行器的捕获、拖动和锁紧,形成刚性连接并辅助对接。在分析和比较国内外空间悬停飞行器捕获试验技术的基础上,设计了一种用于大型空间机械臂捕获悬停飞行器的地面试验系统,该系统主要由空间机械臂、气浮零重力模拟系统、机械臂位姿测量系统、悬停飞行器模拟移动装置、模拟移动装置测量系统组成。仿真分析和地面试验,结果表明:该试验系统可实现对低速到高速的动态模拟目标的跟踪捕获,满足空间机械臂捕获悬停飞行器试验任务需求,完成了机械臂捕获悬停飞行器技术在近似真实使用环境中的验证。

蝴蝶悬停飞行流体力学实验模型的仿生设计

由于蝴蝶形态学上的特点(翼面宽大,展弦比小,翼型复杂)以及其特殊的飞行方式(拍动频率低,翅膀几乎垂直于身体拍动;翅膀没有翻转运动,但在翅膀拍动时身体有明显的俯仰运动和振动),蝴蝶成为探索昆虫飞行高升力机理的特殊研究对象.为了深入研究蝴蝶悬停飞行时的流场和高升力机理,设计制作一套模拟蝴蝶悬停飞行的流体力学实验模型显得尤为重要.介绍一种新设计的电控蝴蝶实验模型,该模型与真实的蝴蝶一样,包含左右翅膀和身体,并且可以实现精确定位和模拟蝴蝶不同的运动模式,包括翅膀的拍动、身体的俯仰运动和振动.研究小组应用此实验模型进行流动显示实验和PIV(Particle Image Velocimetry)实验,对蝴蝶的悬停飞行进行研究.

四旋翼无人机悬停飞行自适应PD控制器设计

提出一种基于模型参考的自适应PD控制器设计方法,用于质量可变的四旋翼无人机的悬停飞行控制。由无人机的动力学方程对悬停飞行时姿态角近似处理得出参考模型,根据参考模型选取一个与实际系统相似并且有期望动态特性的二阶系统。基于Lyapunov稳定性理论的方法,通过被控对象的输出与参考模型输出之间的误差确定控制器的参数,当被控对象参数发生变化时,自适应机构通过参数估计调整PD控制器的输出,使被控对象参数的估计值总能跟踪其实际值,并分别与常规的PD控制器和加入了限速补偿环节的PD控制器进行仿真实验对比。结果表明,该控制器的控制信号比常规的PD控制器超调量小;比加入了限速补偿环节的PD控制器调节速度快,稳定性更好。对于四旋翼无人机的悬停有更好的控制效果。

基于期望动态的无人机悬停飞行PD控制器设计

提出一种基于期望动态的PD控制器设计方法用于四旋翼无人机的悬停飞行控制.四旋翼无人机的动力学模型在悬停飞行时的线性模型可以简化为一个二重积分过程.在考虑传感器滞后或处理器延迟情况下,基于期望闭环动态特征方程对PD控制器进行参数整定,同时,对输入饱和引起响应超调的现象进行了仿真分析.仿真表明,所提出的PD控制方法对四旋翼无人机悬停飞行是有效的,其飞行动态响应具有满意性能.

四旋翼飞行器悬停状态姿态控制建模与仿真

对四旋翼飞行器悬停状态下建立合理动力学模型,为实现四旋翼机悬停飞行时可靠姿态优化控制,提出采用四旋翼机悬停状态建模从单个旋翼受力方法,以四个旋翼转速作为控制量,认为悬停飞行时飞行器自身重力与竖直方向升力完全平衡,在竖直方向上施加一个约束方程,结合其它三个姿态角约束方程,建立起四旋翼机悬停状态下姿态角到旋翼转速的对应方程。利用上述模型,在Matlab软件上对四旋翼机进行悬停时的PID控制联合仿真。仿真结果表明,所建立动力学模型正确有效,更有助于实现四旋翼机悬停状态的姿态优化控制。

半转翼悬停和前进飞行升力估算方法

在分析半转翼运动模型和翼面气流特点的基础上,建立了悬停和前进两种飞行状态下的半转翼升力计算模型。根据半转翼的运动特性,推导出适合半转翼运动的升力计算解析表达式。结合半转翼样机参数,应用导出的理论公式和基于CFD软件的数值仿真模型,分别计算不同飞行条件下半转翼的升力,获得半转翼悬停和前进两种飞行状态下升力变化规律。理论计算与数值仿真所得升力曲线的对比验证了升力估算解析法的有效性和可行性。研究结果可为半转翼飞行器的参数设计与升力预估提供理论指导。

四旋翼飞行器悬停建模及控制

四旋翼飞行器是近几年发展起来的具有低功耗、高机动性的一种无人机,具有较高的军用及民用价值。四旋翼飞行器悬停的控制模型可近似为一个线性定常欠驱强耦合系统。通过建模得出的状态空间表达式的状态矩阵A的特征值存在正实部,是一个不稳定系统。由于系统的不稳定利用二次型最优控制对系统进行镇定,同时得到悬停状态下某一虚拟能量指标达到最小值时的二次型最优控制。利用Matlab对系统进行分析及二次型最优控制相关参数的优化。

无人直升机悬停及小速度飞行精确控制设计与仿真

采用姿态内回路和位置外回路的控制方法,设计无人直升机悬停及小速度飞行控制律,并进行仿真验证控制的精确性。

直升机悬停及低速飞行阶段轴间耦合试飞技术

从试飞员角度出发,分析了直升机轴间耦合现象产生的原因,讨论了ADS-33D规范中有关轴间耦合问题的要求,提出了武装直升机轴间耦合试飞方法、数据处理方法、试飞驾驶技术要点以及试验过程中应注意的事项,可供从事武装直升机飞行试验的技术人员和试飞员参考。

一种基于位置阻抗的机械臂抓捕飞行器控制方法

针对机械臂抓捕飞行器过程碰撞冲击大或发生大构型变化易碰撞问题,提出并实现了一种基于位置闭环的阻抗控制方法,通过对机械臂末端等效刚度控制实现机械臂抓捕目标过程的柔顺控制,基于建立的系统全数字仿真模型对控制效果进行了仿真验证,结果表明阻抗控制软抓捕与位置保持硬抓捕相比,可大幅减小机械臂抓捕目标过程末端与目标间的碰撞冲击力,并且能控制机械臂构型在抓捕中不产生过大变化从而避免碰撞。

翅尖轨迹对食蚜蝇悬停时气动特性的影响

食蚜蝇悬停飞行时的抬升角相对较小,在上下拍起始和结束时刻要比拍动中部的大,这样就使得翅尖的拍动轨迹呈现出浅"U"形。为了分析该翅尖轨迹是否会对其气动特性产生影响,利用计算流体力学的方法分别计算了4只食蚜蝇在考虑抬升角和忽略抬升角2种情形下的气动力,分析对比了2种情形下的不同时刻绕翅膀的瞬时流线,并计算比较了2种情形下气动功率系数与平均举力系数的比值。研究结果表明:抬升角的存在会使其维持体重所需的举力增加10%左右;举力增大的同时能耗却比忽略抬升角情形下要低3%左右。

半转翼悬停状态下气动特性实验研究

半转翼是一种以转动式扑动替代摆动式扑动的新型类扑翼仿生飞行系统。为了探索半转翼悬停状态下气动特性影响规律,在介绍半转翼工作原理的基础上,给出了升力测试装置方案及其测试计算模型,分别从翼片布局、翼片材料特性对气动特性的影响展开实验研究。实验结果表明:左右对称布置的翼片运动后产生的流场相互干扰,导致双翼式半转翼平均升力系数小于单翼式半转翼;柔性翼片平均升力系数一般比刚性翼片大;在合适松弛度范围内,柔性翼片平均升力随松弛度增加而增大。研究结果揭示了半转翼悬停状态下的气动特性。

基于模糊控制的共轴飞行器姿态自稳算法

针对共轴双桨飞行器悬停飞行姿态控制过程中传统控制算法姿态控制效果不理想、智能控制算法在嵌入式系统中不适用的问题,提出一种在姿态解耦的基础上利用串级PID与模糊控制相结合的半自适应姿态控制算法。该算法在共轴双桨飞行器的姿态控制器中加入了姿态解耦器,并利用模糊控制器实现了串级PID控制器内环参数的自适应。仿真实验和飞行试验表明,该控制算法无论是在数值模拟仿真系统中还是在现场飞行试验中都能表现出较好的控制效果。

基于自适应模糊PID控制的四旋翼飞行器的自主跟踪

为了提高四旋翼飞行器控制系统的动态性能和工作效率,研究了自适应模糊PID控制。目前在实际应用中,四旋翼的控制算法主要采用经典PID算法和模糊控制算法,然而经典PID算法,系统容易超调,动态性能较差;模糊控制算法,系统的稳态误差难以消除,工作效率不高。为此采用了经典PID与模糊控制的分段策略,提出了一种新的控制算法:当误差较大时,为提高系统的动态性能,控制器选取模糊控制算法;当误差较小时,为减小稳态误差,提高工作效率,选取经典PID算法。完成了悬停飞行实验,对自适应模糊PID、模糊控制和经典PID三种控制算法进行性能对比,结果表明自适应模糊PID算法能有效解决上述问题。采用自适应模糊PID算法完成了自主跟踪实验,将该算法成功应用到导航制导领域。

米-38开始悬停试验

俄罗斯最新中型运输直升机--欧直米里联合公司的米-38于2003年12月22日在喀山进行了首次悬停飞行试验.这次悬停试验为时6分钟,采用近地操作.第二天在俄罗斯的国防代表面前又进行了类似的悬停飞行试验.

无人直升机悬停/低速段对象特性分析与控制策略研究

详细分析了无人直升机悬停/低速段的对象特性,从直升机的运动机理入手定性地分析了无人直升机飞行过程的时域特性,采用典型直升机数学模型定量地分析了悬停/低速段的稳定性和操纵性。在分析对象特性的基础上,提出了无人直升机四个通道的控制律策略,并通过仿真分析,对比了加入控制律前后的无人直升机的稳定性和操纵性,验证了所提出的控制策略,能较好地解决无人直升机在悬停/低速段稳定性差、操纵困难等问题。

基于STF和小波阈值去噪的无人直升机故障诊断

针对微小型无人直升机传感器工作环境恶劣,易出现性能不稳定并引发故障,且受噪声干扰较大的问题,提出了基于强跟踪滤波器(STF)和小波阈值去噪相结合的故障诊断方法。利用强跟踪滤波理论,将系统的参数扩展为状态变量,构造故障观测器,得到系统状态与参数的联合估计,同时采用小波阈值去噪方法对进入滤波器中的量测信息进行实时去噪处理,提高估计精度,实现了故障的实时诊断。通过微小型无人直升机在悬停飞行状态下的仿真实验,证明了该方法的有效性。

蜻蜓翼三维流动结构的演变

为了与蜻蜓前后翼流动干扰的流动结构作比较,首先研究了悬停飞行状态下单个蜻蜓翼周围的三维流动结构,利用一套机电拍动翼运动模拟机构模拟了一个蜻蜓翼的拍动,使用数字体视粒子图像测速技术(DSPIV,Digital Stereo Particle Image Velocimetry)和多切面锁相技术分别测量了两个下拍拍动相位时刻(t=0.25T,0.375T)和两个上拍拍动相位时刻(t=0.75T,0.875T)蜻蜓翼周围的瞬时空间三维流场,运用局部涡识别准则中的λci准则来识别和显示了流场中的三维涡结构,还展示了蜻蜓翼各个展向测量截面中的|ωz|等值线、蜻蜓翼前缘涡的涡核线相对于蜻蜓翼上翼面的空间位置以及前缘涡在各个展向测量截面中的截面环量等.实验结果揭示了蜻蜓翼周围的三维流动结构在蜻蜓翼拍动时的演变历程.

ADAPTIVE NEURAL NETWORK ATTITUDE CONTROL FOR UNMANNED HELICOPTER

Adaptive flight control technology, feedback linearization, model inversion theory are reviewed and the error dynamic characteristics are analyzed, and an adaptive on-line neural network attitude control system is presented. The model inversion is under the hover condition. And the adaptive control law based on the neural network is designed to guarantee the boundedness of tracking error and control signals. Simulation results demonstrate that the nonlinear neural network augmented model inversion can self-adapt to the uncertainty and modeling errors of unmanned helicopters. Results are compared while the parameters of PD controller and robustness items are changed.