Retarded Harrier Maneuver as a New and Efficient Approach for Fixed-Wing Aircraft to Achieve S/VTOL

Modern day VTOL fixed-wing aircraft based on quadplane design is relatively simple and reliable due to lack of complex mechanical components compared to tilt-wings or tilt-rotors in the pre-80’s era. Radio-controlled aerobatic airplanes have thrust-to-weight ratio of greater than unity and are capable of performing a range of impressive maneuvers including the so-called harrier maneuver. We hereby present a new maneuver known as the retarded harrier that is applicable to un/manned fixed-wing aircraft for achieving VTOL flight with a better forward flight performance than a quadplane in terms of weight, speed and esthetics. An airplane with tandem roto-stabilizers is also presented as an efficient airframe to achieve VTOL via retarded harrier maneuver, and detailed analysis is given for hovering at 45° and 60° and comparison is made against the widely adopted quadplane. This work also includes experimental demonstration of retarded harrier maneuver using a small remotely pilot airplane of wingspan 650 mm.

电动VTOL飞行器双目立体视觉导航方法

研究了在未知的、动态的室内走廊环境中,采用双目立体视觉引导电动VTOL(Vertical Take-Off and Landing)飞行器安全飞行的方法.使用安装在飞机上的两个微型摄像头从不同的位置获取图像,由双目立体视觉理论恢复其周围环境特征点的三维坐标.采用角点匹配方法计算视差,实现无人机在走廊中的横向坐标定位.采用区域灰度相关算法进行立体匹配获取视差图,从视差图上检测出障碍物,并给出避障导航点.初步实验验证表明,该方法可行性较高,可以作为进一步研究的基础.

欠驱动VTOL空间飞行器系统的非线性跟踪控制

研究了欠驱动VTOL(垂直上升和垂直着陆)空间飞行器在各种输入耦合时的非线性跟踪控制问题。VTOL空间飞行器是具有三个自由度,两个控制输入的欠驱动系统。首先,通过控制输入和坐标变换,系统的动力学方程被变换成二阶链式形式。其次,利用后推法(backstepping)的思想推导出保证系统渐近收敛于给定轨迹的时变反馈控制规律。该方法将系统分解为低阶子系统来处理,利用中间虚拟控制变量和部分Lyapunov函数简化了控制器的设计。仿真结果证明了所设计控制器的有效性。

欠驱动VTOL飞行器的位置反馈动态面控制

针对非最小相位欠驱动垂直起降飞行器系统,提出一种位置反馈动态面控制算法。首先设计高增益观测器,估计系统未知状态;然后采用动态面控制方法避免Backstepping设计存在的"微分爆炸"现象,同时简化控制律设计过程;最后采用Lyapunov直接法证明闭环系统所有信号一致有界,且跟踪误差通过调节控制器参数可以达到任意小。理论分析和仿真表明,所提方法能减轻计算负担,降低对系统状态的测量要求,实现飞行器位置准确跟踪,并对非线性建模的参数不确定性具有鲁棒性。

基于VTOL飞行器的滑模控制器设计

垂直起降(Vertical takeoff and landing,VTOL)飞行器是具有3个自由度、2个控制输入的非线性欠驱动控制系统,为了解决严重耦合的VTOL欠驱动系统的输出跟踪问题,首先将VTOL动力学模型解耦成一个最小相位系统和一个非最小相位系统,然后分别针对这两个解耦子系统设计滑模控制器,并通过Lyapunov理论证明系统的稳定性,最后仿真结果表明所设计的滑模控制器实现了对轨迹的无稳态误差跟踪,具有较好的鲁棒性,能够为此类欠驱动系统的输出跟踪问题提供设计参考。

基于自适应浸入与不变的VTOL飞行器跟踪控制

针对输入存在不确定干扰的垂直起降(VTOL)飞行器的跟踪控制问题,提出了一种基于自适应系统浸入与不变(I&I)的控制方案:对于不确定性输入干扰,采用自适应I&I方法对于扰进行实时估计补偿;为便于控制器设计,采用系统分解技术将原系统解耦成一个最小相位误差子系统和一个非最小相位子系统,将原系统的输出跟踪问题转换为两个误差子系统的镇定问题。基于自适应I&I估计律和滑模变结构控制方法分别设计了两个子系统的控制器,所设计的控制器能够保证两个闭环子系统指数稳定。仿真结果表明,上述控制方案在干扰估计精度和收敛速度方面明显优于传统自适应估计方法,能够实现飞行器对给定轨迹的准确跟踪,同时抑制输入干扰对系统性能的不良影响。

基于非线性干扰观测器的VTOL飞行器跟踪控制

研究了输入存在不确定干扰的垂直起降(VTOL)飞行器的跟踪控制问题,提出了一种基于非线性干扰观测器对干扰进行实时估计的控制方案。为便于控制器设计,采用坐标变换和输入变换将原系统解耦成一个最小相位误差子系统和一个非最小相位误差子系统,将原系统的输出跟踪问题转换为两个子系统的镇定问题。为使所设计的控制器能够保证两个闭环子系统指数稳定,基于非线性干扰观测器,采用滑模变结构控制和最优控制,对两个子系统分别设计了控制器。仿真结果表明,所设计的控制器在输入干扰作用下能保证跟踪控制的稳定性,对干扰具有良好的鲁棒性。

VTOL飞行器有限时间轨迹跟踪控制

针对VTOL飞行器的轨迹跟踪控制问题,提出一种基于有限时间控制的控制方案。鉴于VTOL飞行器系统是强耦合的非线性系统,首先采用系统分解技术将原系统解耦成两个子系统,将原系统的输出跟踪问题转化为两个子系统的镇定问题。对于解耦后的系统,设计了有限时间控制律,所设计的控制器能够保证闭环系统有限时间稳定,克服了传统有限时间控制的弊端。仿真结果表明了所提出的控制方法具有良好的跟踪性能,能够实现飞行器对给定参考轨迹的快速、准确跟踪。

VTOL飞行器有限时间输出反馈跟踪控制

针对垂直起降(VTOL)飞行器的轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于有限时间控制的输出反馈控制方案。首先,采用系统分解技术将原系统解耦成两个子系统,将原系统的输迹跟踪问题转化为两个子系统的镇定问题。对解耦后的系统,设计了有限时间状态反馈控制律,所设计的控制器能够保证闭环系统有限时间稳定。然后,考虑部分状态不可测量情况下的VTOL飞行器轨迹跟踪控制问题,设计了一个有限时间快速收敛观测器,基于有限时间快速收敛观测器提出了有限时间输出反馈控制律。仿真结果表明,所提出的控制方法具有良好的跟踪性能,能够实现飞行器对给定参考轨迹的快速、准确跟踪。

基于图像的VTOL飞行器视觉伺服控制

针对垂直起降(VTOL)飞行器的定点降落控制问题,本文提出一种基于图像的视觉伺服控制方法。对于VTOL飞行器视觉伺服控制系统,利用机载摄像头采集图像信息,将反步法与滑模控制技术相结合,设计了视觉伺服控制器。由于该方法采用的视觉模型中包含与深度无关的图像雅克比矩阵,从而避免了特征点深度的测量与估计。利用李雅普诺夫理论证明了在控制器的作用下,VTOL飞行器视觉伺服系统渐近稳定;同时保证图像误差渐近收敛为零,飞行器最终到达期望降落位置。最后的仿真结果表明了所提出的控制方法实际有效。

基于双闭环PD控制的VTOL飞行器轨迹跟踪控制方法

为解决垂直起降VTOL飞行器的轨迹跟踪控制问题,提出一种基于双闭环PD控制的轨迹跟踪控制方法。建立了VTOL飞行器的简化动力学模型,将轨迹跟踪系统分解为位置跟踪系统和姿态跟踪系统;构建了基于位置外环和姿态内环的双闭环PD控制结构,设计了基于前馈补偿的PD控制器;通过快速内环的控制算法保证了系统的稳定性。仿真结果表明,该方法简化控制系统的设计过程,保证VTOL飞行器能够快速准确跟踪给定轨迹,满足欠驱动VTOL飞行器的轨迹跟踪需求。

基于高阶LADRC的V/STOL飞机悬停/平移模式鲁棒协调解耦控制

针对垂直/短距起降(V/STOL)飞机在悬停/平移模式下存在的动力学耦合、推力矢量控制冗余以及易受扰动风影响的问题,提出了一种基于高阶线性自抗扰控制(LADRC)的鲁棒协调解耦控制方法。首先根据V/STOL飞机的概念方案,建立了推力矢量模型和扰动风影响下的非线性悬停/平移运动模型。然后在此基础上,给出了该模式下位置和姿态的协调控制策略,据此通过控制量变换设计了六通道的自抗扰解耦控制律,其中利用LADRC对总扰动的实时估计补偿能力避免了多推力矢量的冗余控制。仿真比较结果验证了LADRC对悬停/平移模式控制的有效性以及对飞机内部参数摄动和外界突风干扰的鲁棒性。

Development of Autonomous VTOL UAV for Wide Area Surveillance

The drone was developed with the use of unmanned aircraft systems in the initial military sector based on the combination of aerospace technology and information and communication technologies in a variety of usability, including the civilian sectors. Developed for the field of reconnaissance, it is used in both civilian and police sectors as traffic monitoring and high altitude reconnaissance missions. It is used in broadcasting and surveillance, while continuously expanding into the areas of courier delivery and rescue missions. Based on the convergence of aviation technology such as various SW, sensor and flight control to utilize unmanned system and information communication technology, commercialization of related technology is being developed as a very diverse route.?In this paper, we propose and manufacture of?a VTOL UAV. Design process referred to the VTOL development process?that has been devised by us, and actual building of a UAV also applied the same VTOL development concept. In order to understand the aerodynamic characteristics of the aircraft, we have applied the aerodynamic design theory and used the CAE method that can replace the actual wind tunnel test. We tested the selection method and criteria for the internal modules that make up the UAV, and we were able to assemble the product. FW coding of flight control computer was conducted for VTOL control. In addition, we developed a LTE communication module for the long distance flight, and carried out flight experiments with GCS to observe and respond to the flight situation from the ground. Flight test results showed that stable transition flight was possible with broadband.?We could see that the actual performance results were met, compared to our development target values.

粤港澳大湾区城市空中交通高质量发展的探索及其研究

粤港澳大湾区交通体系建设在区域发展中起着决定性作用,在着力发展铁路、公路、海运、河运和传统运输航空的同时,如何针对区域需求发展更高质量的交通方式是区域交通整体筹划的题中之义。电动垂直起降(EVTOL)是航空器制造业领域一场重大技术革命,它使城市空中交通(Urban Air Mobility,UAM)从梦想走向现实。长期以来,城市空中交通以直升机为主,但出于成本高、噪声大、污染重和对环境要求高等原因,其发展规模非常小,没有受到人们关注。近年来EVTOL技术快速发展,万亿“蓝海”赛道雏形日益清晰,各国竞争开始加剧。粤港澳大湾区具有天然发展UAM的基础、条件和环境,发展的成效对湾区整体水平又有重要价值。面对这一全新课题,本文从必要性、可行性出发,研究其价值所在,提出发展思路和路径,对存在的问题进行简要剖析并给出解决对策,期望对UAM的发展有所帮助。

升力风扇垂直起降飞机过渡态总体参数分析

升力风扇垂直起降飞机属于一种特殊的固定翼飞行器,兼有直升机式的悬停状态、固定翼状态,以及特殊的过渡状态。在这三种状态下,两套升力部件(直接升力部件和气动升力部件)只共用一套动力源,使得动力源工作状态差异很大,导致各总体参数之间的匹配关系与常规固定翼飞机甚为不同。为此,基于螺旋桨动量理论推导了升力风扇垂直起降飞机全机升阻、功率特性的估算模型;并针对整个过渡过程,分析了各总体参数对过渡态功率、阻力特性的影响,进而得到各总体参数的合理匹配方法以满足减小"富余功率"和节省过渡阶段的燃油消耗量的设计要求,提高巡航经济性。所研究的成果能为升力风扇垂直起降飞机概念设计提供有效地指导原则。

发动机位置对大型运输机动力增升效能的影响研究

参照C-17运输机,建立了外吹式襟翼动力增升全机几何分析模型。采用多块结构化网格技术,基于RANS方法,分别对高升力构型和轴对称发动机动力喷流进行了数值模拟验证,在此基础上开展了发动机短舱位置和喷流方位对动力增升效能的影响研究并总结其设计原则。计算结果表明,短舱垂直位置对动力增升效能影响最为显著,发动机每下沉100 mm升力至少损失0.1。为获得理想的动力增升效果,发动机短舱应在避免巡航状态喷流直接冲刷机翼下表面的前提下尽可能地靠近机翼。发动机水平位置主要影响中等以上迎角的气动力特性,短舱前伸有利于喷流进入缝道并且存在兼顾最大升力系数和失速和缓特性的最佳前伸量。发动机负的安装角每增加1°,升力可增加0.1以上,适当给定负的发动机安装角可使得尾喷流向上倾斜从而被襟翼完全阻挡。通过改变发动机位置,在起到更好的动力增升效果的同时,通常都伴有低头力矩增大,压力中心后移,以至于全机安定性增加的同时平尾配平的负担也相应增加。

垂直起降飞机的全局轨迹跟踪控制

研究垂直起降飞机在任意输入耦合作用下的轨迹跟踪控制问题.垂直起降飞机是具有3个自由度、2个控制输入的欠驱动系统.首先通过控制输入和坐标变换,使飞机的动力学方程变换成严格反馈形式;然后基于后推法的思想推导出保证系统渐近收敛于参考轨迹的时变反馈控制规律.该方法将系统分解为低阶子系统来处理,利用中间虚拟控制变量和部分Lyapunov函数简化了控制器的设计.仿真结果表明所设计的控制器是有效的.

基于模糊逻辑方法的涵道风扇飞行器非定常气动力建模及应用

为研究涵道风扇飞行器过渡阶段飞行特性,使用CFD方法,通过叶素理论和滑移网格技术,求解涵道风扇飞行器定常状态气动力及俯仰非定常状态气动力,并计算了升降舵偏角对气动力的影响。将CFD计算数据作为训练样本,使用模糊逻辑方法建立了涵道风扇飞行器纵向非定常气动力模型,该模型考虑了涵道风扇飞行器俯仰运动时的非定常效应及气动力与发动机转速的耦合效应,对涵道风扇飞行器非定常气动力具有较高精度的描述。使用该模型求解涵道风扇飞行器六自由度方程,进行时域仿真,仿真结果表明涵道风扇飞行器高度和速度的指令跟踪性能良好,低速飞行性能良好,过渡阶段姿态稳定。

可垂直起降、高速前飞的飞行器设计与控制

本文设计了一种具有垂直起降、悬停和高速前飞能力的飞行器.这种飞行器通过模态转换,既能够实现类似传统四轴飞行器的垂直起降,又能够实现类似固定翼飞行器的高速前飞.同时本文针对这种飞行器设计了模态转换控制律;仿真试验验证了设计方案和控制律的有效性.

矢量拉力垂直起降无人机姿态纵向控制研究

针对使用矢量拉力控制纵向飞行姿态转换的坐式垂直起降固定翼无人机,分析其在垂直和水平飞行两种状态转换过程中存在的一些控制问题;建立了其动力模型,并对模型参数进行了整定。针对其在非线性条件下动态性能欠佳的问题,把容易实现、鲁棒性好的PID控制法与智能模糊控制算法结合,设计出自适应模糊PID控制器。并且模糊PID的超调小、动态响应快等特点在仿真和飞行实验中得到验证,使系统的抗干扰性得到提高。