复合翼eVTOL电池需求及对动力总成安全性的影响

动力电池是电动化飞行得以实现的重要组成部分,其技术层次和安全水准对电动垂直起降飞行器(Electric Vertical Take off and Landing aircraft,eVTOL)的商业化推广尤为重要。本文在典型飞行任务下,研究电池性能对eVTOL飞行器的运营性能、适航性能和安全性能的影响。利用开源软件SUAVE(Stanford University Aerospace Vehicle Environment,SUAVE)对复合翼eVTOL进行了整机与动力总成的建模,利用故障树分析(Fault Tree analysis,FTA)方法对动力总成进行了安全性分析。通过仿真,发现在现有电池技术水平下,电池的放电倍率约束是决定电池性能需求的关键限制条件,针对本文设计的eVTOL,372 Wh/kg是满足所有安全约束的最低能量密度,在使用过程中电池容量的衰退是设计者选择电池能量密度的重要参考指标。单独改善电池的可靠性对动力总成可靠性的提升是有限的,但电池性能的衰退将使电池成为动力总成失效的主要因素。通过FTA发现本文搭建的典型动力总成失效率为1.524×10^(-7),接近SC-VTOL-01中单座飞行器的基础级灾难性故障率要求。

复合翼无人机高效发电系统的设计

为提升复合翼无人机的机动作战能力和扩大侦察范围,提出针对50 kg级复合翼无人机6 kW发电系统的设计方案,选型电气系统拓扑结构,实现电机起发一体;利用电机电磁理论计算确定永磁同步发电机的电枢设计参数,研究发动机的性能特性,结合电磁场计算模型和有限元仿真确定绕组形式,使发电机输出额定电功与发动机峰值工况转速匹配。发电机样机经地面台架测试,可实现起动发电一体,并可持续输出6 k W以上的额定电功率。发电系统为复合翼无人机建立了高效的能量流动关系,其能量密度高于锂聚合物电池15.4%,具有较好的机电匹配效果。

基于改进型自抗扰控制的复合翼无人机旋翼控制系统设计与试验

针对多旋翼无人机在飞行过程中容易受到各种外部扰动的影响,以复合翼无人机的旋翼控制系统为研究对象,设计了一种自抗扰控制系统。首先,建立了多旋翼无人机系统运动学模型和动力学模型;其次,对自抗扰控制算法的特点展开研究,结合无人机模型分别设计了位置和姿态控制器。并改进了扩张状态观测器,引入了更精确的动力学模型,提升了扰动观测速度和估计精度,同时,降低了扩张状态观测器的阶数,提升了控制器调参简易性;再次,依据六自由度力和力矩的平衡方程,对本文研究对象搭建了控制分配模型。最终,采用Matlab/Simulink完成仿真模型设计和参数调节,对控制目标分别加入了内部重力扰动和外部风力扰动,仿真结果表明本文设计的控制器不仅可以很好地估计出系统内外扰动并进行补偿,而且具有极强的抗干扰性,可以保证无人机从初始点快速且平稳到达目标位置,并保持稳定悬停,姿态控制稳态误差在0.05°以内。

复合翼飞行器动力旋翼系统的力学建模及应用

以某60 kg级复合翼飞行器的旋翼和推进螺旋桨为对象,以片条理论和动量理论为依据,循环求解桨前速度增量,结合地面试验数据修正螺旋桨力学模型,得到螺旋桨的力学性能。模型计算结果显示,推力计算偏差小于5%,功率计算偏差小于10%。由此计算螺旋桨在一定来流下的推力与转速和控制参数的特性曲线,建立螺旋桨与控制参量之间的关系,以支持复合翼飞行器动力模型研究。

复合翼无人机不同传感器探测大气温湿度对比

无人机为大气探测的重要平台,为克服固定翼起飞降落条件要求高和旋翼机飞行航时短的问题,中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测实验室自主研制了一款新型复合翼无人机。为检验其在近地面探测大气温湿度的能力,于2020年7月28日—8月6日及2021年8月1—6日,在内蒙古自治区正镶白旗无人机综合验证基地开展了两期无人机搭载不同传感器探测温湿度的比对试验。结果显示:机载自动站与GPS探空仪所测温度绝对偏差为2.00℃~2.35℃,系统偏差可订正;两者所测相对湿度绝对偏差为4.28%;2021年搭载维萨拉温湿探头,测量对比表明维萨拉温湿探头与GPS探空仪测量结果一致性较好,机载自动站与两者差异较大。飞行探测试验表明:长航时复合翼无人机在近地面大气层探空方面机动性强,与常规旋翼无人机相比,可获取更大垂直与水平范围的气象要素信息。

复合翼无人机混合动力系统能量管理策略设计

以某最大起飞质量为25 kg的复合翼无人机混合动力系统为研究对象,基于MATLAB/Simulink平台搭建动力系统关键部件数学模型、集成复合翼无人机混合动力系统级仿真模型,依据复合翼无人机在多点悬停作业场景下的飞行任务要求,设计相应的飞行任务剖面与基于等效燃油最小消耗的能量管理策略,进行仿真试验验证。结果表明:基于等效燃油最小消耗能量管理策略的无人机动力系统的油门跟随性良好,满足无人机实际运行需要;动力电池荷电状态可以维持在设定值附近,相对误差小于1.5%;相比基于规则的能量管理策略,基于等效燃油最小消耗管理策略的混合动力系统无人机在点对点飞行和多点悬停作业2种飞行工况下的燃油消耗分别下降了6.07%、5.49%。

基于改进RRT算法的复合翼无人机仿地飞行技术

复合翼无人机在高海拔地区飞行时,由于相对高差剧烈变化,容易出现山谷低处目标漏拍或超出激光雷达等荷载设备量程等现象,难以满足通道巡检质量要求。为此提出一种基于改进RRT算法的仿地飞行技术,结合无人机飞控系统,根据地形变化自动生成变高航线,将离地相对高度控制在一定范围内,使机载设备对地视角始终保持相对恒定,正常采集山谷等低处的通道巡检数据。综合考虑复合翼无人机飞行性能,设置约束条件,智能避开高处山体障碍。现场飞行试验结果表明,该方案能够满足高海拔复杂地形条件下电力通道巡检质量要求,安全高效地完成飞行巡检任务。

复合翼垂直起降无人机直驱混合动力系统验证设计与试验建模方法

针对传统复合翼垂直起降(vertical take-off and landing,VTOL)无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)垂直机动时间短的固有缺陷,提出了一种应用油电混动技术的直驱混合动力系统拓扑结构。面向起飞质量约15~20 kg的复合翼垂直起降无人机对直驱混合动力系统的软硬件进行开发与选型,设计出了满足上述起飞质量下功率需求的直驱混合动力系统。为对动力系统的设计方法进行验证并在探究其特性规律的基础上建立简化的直驱混合动力系统数学仿真模型,搭建了能够在地面模拟搭载直驱混合动力的复合翼垂起无人机飞行工况与工作模式的直驱混合动力系统地面一体化验证平台。基于此验证平台,设计了直驱混合动力系统特性一体化探究试验方案,采用试验建模法建立了简化的直驱混合动力系统的稳态与动态数学仿真模型,通过仿真与实物对比试验分析法,验证了试验方案的可行性与模型准确性。直驱混合动力系统配装复合翼垂直起降无人机搭建飞行验证平台并完成垂直机动飞行试验,试验过程中,全系统工作正常,飞行验证平台垂直机动时间超过预期指标。飞行试验结果表明,直驱混合动力系统设计方法是正确且有效的,动力系统具有良好的功率输出表现,能够改善复合翼垂起无人机垂直机动时间短的固有缺陷。

基于增量反步的复合翼无人机全包线姿态控制

针对某型复合翼无人机强非线性、不确定性和多模态的问题,从不确定性补偿非线性控制方法、跟踪微分器加速度测量和直接切换方法等角度开展全包线飞行控制研究。针对气动参数不确定问题,基于角加速度补偿方法,提出一种基于新型微分跟踪器的增量反步方法(incrementalbacksteppingcontrol,IBKS);为解决多模态特性问题,设计基于策略的直接切换方法,利用控制器参数切换实现复合翼无人机全包线姿态控制;通过不同模态下的仿真选取不同模式下的控制器参数,并联合选取的参数对起飞过程进行仿真。结果表明:所提姿态控制方法在样例复合翼无人机参数摄动30%的情况下,相较于反步法提高了66.8%的俯仰角控制精度,能消除攻角抖振,提升飞行品质。

复合翼无人机在房地一体测绘中的应用试验

近年来,随着测绘技术不断发展以及房地一体确权发证工作推动,倾斜摄影测量技术在很多地方的房地一体测绘工作中得到应用。本文以韶关市浈江区产业园附近的钟屋村、谭屋村为试验区,采用复合翼无人机进行倾斜摄影,通过布设像控点、POS差分解算、采用专业五镜头倾斜相机飞交叉航线等手段提高模型精度,并基于三维模型采集了房屋要素。经检核,房屋界点误差满足广东省农村宅基地和集体土地确权发证工作规范精度要求,试验取得成功,可为同类项目提供有益参考。

复合翼无人机平台的下视红外船舶识别算法

由于复合翼飞行器在飞行过程中速度快,对红外目标识别算法的实时性有着更高的要求。针对快速目标识别的迫切需求,本文提出了一种基于改进YOLOv4的红外船舶识别算法YOLOv4-Gd。该算法首先将空间注意力机制与通道注意力机制相结合作用在主干网络CSPDarknet提取出有效特征层上,使得船舶目标的特征占据更大的权重,以此增强神经网络对特征的学习能力。其次,使用深度可分离卷积替换主干网络CSPDarknet的传统卷积,在确保不丢失大量信息的同时极大降低网络的模型参数,提高网络的实时性。引入可学习权重的双向特征融合BiFPN模块,增加网络对不同输入特征层的学习能力及多尺度特征融合能力,最后对主干网络层数进行优化。实验结果表明,优化后的算法在复杂背景、小尺度目标及多目标等应用场景的平均准确率提升了2.22%,同时FPS达到48.9,为在移动边缘计算平台上实现红外舰船目标识别提供了飞行试验基础。

复合翼无人机进场阶段协调控制策略研究

复合翼无人机兼具旋翼机垂直起降与固定翼高速平飞的优点,但在进场阶段为一个不稳定、非线性、强耦合的控制对象。针对上述问题,从多角度分析了上述问题存在的原因,从工程实践出发,设计了进场协调控制策略。上述策略除复合翼无人机主控制器与进场不同阶段协调控制策略外,还包含如下控制子策略:副翼用作扰流板辅助减速策略;四旋翼油门缓起策略;高度控制分阶段策略;动态减速段动态减速策略。经过与常规的控制策略在仿真中进行对比,上述协调控制策略提高了进场阶段俯仰姿态的稳定性,使复合翼无人机控制系统在进场阶段具有良好的控制精度与鲁棒性。

基于毫米波雷达的复合翼构型无人机避障系统研究

针对复合翼无人机的避障问题,设计了一种基于毫米波雷达和二自由度对准装置为硬件基础的避障预警系统。该系统的对准控制算法以复合翼无人机的实时姿态、速度信息为输入,以装置的2个自由度机构的控制量为输出,使置于装置末端的毫米波雷达始终朝向期望方向,解决了雷达探测方向的对准问题。该系统规定了4种应对策略,制定了以雷达探测数据为基础的相应触发条件,适应了无人机不同的飞行状态。为验证系统有效性,将系统软硬件部分搭建于一台自研复合翼无人机平台上,制定试验飞行航线,设定相应参数,设计并实施了实物飞行实验。实验结果表明:该系统能有效检测飞行方向的障碍物,能作出有效的预警及避障措施,是一种有效的复合翼无人机避障问题解决方案。

复合翼无人机在海底电缆保护区巡视中的应用

随着无人机行业的快速发展,无人机在电力行业中的应用越来越广泛。在海底电缆运维方面,可利用无人机对海缆保护区进行巡视,不仅能缩短作业时间,提升作业效率,降低作业成本,而且能避免人员落水等人身安全风险。因此,简述了目前500 kV海底电缆的运维情况,通过对比不同类型的无人机得出复合翼无人机的优点,最后阐述500 kV海底电缆保护区使用复合翼无人机进行巡视的应用案例。

探究现主流无人机的缺陷和一种太阳能与蓄电池轮换供电的长续航复合翼无人机解决办法

无人机在人类的生产生活中扮演着越来越重要的作用,现两大主流无人机—多旋翼无人机与固定翼无人机,在使用的过程中逐渐暴露出多旋翼无人机的续航能力弱、载荷小、危险性高,与固定翼无人机暴露出的起降受到跑道限制、不能定点悬停等问题。本文即提出一种利用太阳能与蓄电池作为主备电源供电电路及智能切换技术结合“复合翼”无人机达到解决现主流无人机所暴露出的问题,极大提升了无人机大面积、大范围、高强度作业的工作效率,同时也为处于野外环境中作业的工作人员提供更好的生命安全保障。

神奇的“蝙蝠侠”——多姿多彩的复合翼航空器

熊掌与鱼翅兼得的设想 有一则寓言,讲的是百鸟和众兽比武,蝙蝠飞到树上,想加入鸟的行列,鸟们说它是兽,蝙蝠落到地上,兽们又说它是鸟,结果连蝙蝠自己也搞不清自己到底是鸟是兽。这使人想起复合翼航空器,它到底是直升机,还是固定翼飞机,也很难说清楚。而复合翼航空器那收放自如、纵横捭阖、恣意翱翔的高超本领更使人想起国外大片中神奇的蝙蝠侠。

电动复合四旋翼无人机总体多学科优化设计方法

为解决当前电动复合四旋翼无人机设计中存在的布局选择缺乏理论依据、缺少旋翼模式下的抗风性能的分析和评估方法、两套动力系统独立进行设计和总体设计过程多数采用传统序列设计方法而未充分考虑几何外形、气动、配平和稳定性、动力系统、质量、旋翼模式下的抗风性能和续航性能等学科之间参数相互传递带来的复杂耦合关系等问题,根据所提基于代理模型的改进并行子空间优化算法,通过建立几何外形参数化模型和气动网格划分模型、各个飞行模式下的气动性能和飞行性能分析模型、旋翼模式下抗风性能的评估和分析模型以及已经提出的电动力系统模型,形成了电动复合四旋翼无人机的多学科优化设计(MDO)方法,并将该方法应用于一架小型电动复合四旋翼无人机的总体设计当中,基于优化设计结果制作了原理样机。原理样机的飞行实验结果显示飞行性能均满足设计要求,并且在起飞总质量降低约为2.8%的情况下,航时提升了约14.1%,最大可抗风速提升了约3.5%,表明了所提MDO方法的可行性和正确性,可为电动复合四旋翼无人机产品的研发和应用提供一定的理论指导。

叶栅复合 Weis-Fogh 翼推进装置

回顾了Ｗｅｉｓ－Ｆｏｇｈ机构的研究历史；应用Ｗｅｉｓ－Ｆｏｇｈ效应，构造出叶栅复合Ｗｅｉｓ－Ｆｏｇｈ翼推进装置；在理想条件下，计算出推进效率可以达到９０％。

复合翼无人机加速段纵向飞行特性分析与控制设计

针对高成本的大型复合翼(VTOL)无人机(UAV)从悬停到巡航的纵向加速飞行转换阶段开展气动/控制综合研究。基于叶素动量(BEMT)理论建立斜向入流下旋翼气动载荷计算模型,并与CFD算例对比验证其准确性。分析出旋翼系统引起整机焦点前移产生静不定效应,其中心应置于全机重心之后。仿真对比不同加速策略下的加速特性、控制效能余量等指标,给出-5°俯仰角,定推进油门的加速策略。考虑控制输入冗余,作动器动态响应不同,引入虚拟控制量的概念,采用频域分解的效能分配准则实现静态分配。考虑建模误差,设计L1自适应姿态控制框架实现动态控制增稳,拉偏仿真验证其鲁棒性。飞行试验验证了所述建模方法、加速策略及控制律框架的有效性。

大型客机复合材料中央翼整体化设计研究

本文从复合材料整体化的发展趋势和国外大型客机典型中央翼结构特点出发,结合复合材料设计和制造的固有特点,设计了一种整体化成型的中央翼方案。通过论证和分析,从设计性、强度、可靠性、质量、腐蚀、疲劳、维护、功能性、工艺性等方面说明了整体化中央翼方案的优点;从设计难度、制造难度等方面说明了该设计的风险。最后,结合现今设计技术和制造技术的发展说明了复合材料中央翼整体成型方案的可行性。