旋翼飞行器飞行人员空间定向障碍研究进展及展望

空间定向障碍(spatial disorientation,SD)的发生率较高,对飞行安全构成了重大威胁。目前对于旋翼飞行器飞行员在空间定向方面的研究相对较少,在领域内缺乏足够的关注。与固定翼飞行器飞行员不同,旋翼飞行器飞行员面临的空间定向障碍具有明显的特点和不同的挑战。在过去的百年中,通过模拟训练旋翼飞行器飞行员可以有效地减少空间定向障碍相关的飞行事故。这方面已经取得了长足的进展。随着虚拟现实技术和人工智能的迅猛发展,这一方法在未来仍有许多值得关注的领域。近些年,研究人员从认知形成过程的角度探究空间定向障碍的发生机制,为其预警提供新的针对性靶点。从此类人员空间定向障碍发生特点、针对性模拟训练和发生机制三方面回顾相关研究进展并展望未来探索方向,对有效降低相关空间定向障碍的发生率以及导致的事故率具有重要的军事意义。

基于自适应起落架的旋翼飞行器着陆稳定性分析

传统起落架在复杂地形条件下存在着陆困难的问题,而自适应起降装置的引入能够有效提高旋翼飞行器的地形适应能力,但其着陆稳定性分析也变得更加复杂。当旋翼飞行器在着陆过程中姿态倾斜较大时,存在严重的安全隐患。因此,采用了一种应用于旋翼飞行器的新型自适应起落架,建立了其着陆动力学模型,并综合考虑了地况、飞行器着陆位姿状态、足端-地面摩擦力以及着陆速度等的影响。通过Simcenter3D进行全机着陆动力学仿真试验,得到了该构型自适应起降飞行器在不同速度和坡角条件下的着陆稳定边界。结果表明:相较于传统起落架,自适应起落架使旋翼飞行器可适应的地形坡角增大了50%,着陆稳定边界扩大了122%,有效提高了旋翼飞行器的地形适应能力和着陆稳定性。

过驱动四旋翼飞行器实验平台姿态跟踪鲁棒控制器的设计与验证

针对过驱动四旋翼飞行器实验平台的姿态跟踪控制问题进行了研究,该平台存在未知输入扰动且角速度不可测,电机也存在死区及饱和非线性特征。首先,建立了该平台的线性受扰双积分模型。之后,设计了包含比例-积分-微分标称控制器及自适应扩张状态观测器(AESO)的姿态跟踪鲁棒控制器。其中,标称控制器用来保证标称闭环系统渐近稳定,而AESO用来估计实验平台的角速度及扰动信息,以解决无速度测量及扰动抑制问题,并且采用伪逆矩阵法解决了过驱动控制分配问题。此外,构造了辅助系统,以削弱电机死区及饱和非线性特性带来的影响。最后,通过仿真及实验验证了所提控制策略可有效解决电机死区及饱和特性带来的问题,并可同时兼顾闭环系统的瞬态超调和稳态误差性能。

隧道波导环境中旋翼飞行器姿态控制方法研究

目前研究的旋翼飞行器姿态控制方法在隧道波导环境下控制精度较低,鲁棒性较差。为了解决上述问题,针对隧道波导环境研究了一种新的旋翼飞行器姿态控制方法。分析狭窄隧道环境下旋翼飞行器湍流的形成,研究飞机在飞行器湍流形成过程中的层流失稳、转捩与进入湍流发展状态。确定雷诺数,计算旋翼飞行器转捩位置,根据紊流尺度得到雷诺数。采用PCS对偏航通道、俯仰、滚转进行姿态控制,使旋翼飞行器可稳定、安全飞行。实验结果表明,研究的旋翼飞行器姿态控制方法具有较强的分析系统动态性能的能力,可以在隧道波导环境中保持良好的控制性能的能力,提高了鲁棒性。

一种旋翼飞行器飞行自动评分系统设计

近年以来,无人机被广泛应用于军用和民用领域,如农业、地理测绘、航拍摄影、电力巡检以及军事侦察等。其中,多旋翼无人机因其结构构造简单,比较容易操控等优点深受大众喜爱,尤其是消费级无人机的大规模普及,集航拍摄影于一身的小型旋翼无人机更是走进千家万户。随着旋翼飞行器行业的蓬勃发展,掌握无人旋翼飞行器驾驶技术的人才需求量与日俱增,飞行人才的需求缺口依然很大,如何方便快捷地对无人旋翼飞行器驾驶员的飞行技能进行自动评价是一个重要课题。

水空两栖多旋翼飞行器出水控制及参数整定

介质跨越是水空多旋翼飞行器的关键运动之一,针对水空多旋翼飞行器的出水问题开展相关研究。首先,建立水空多旋翼飞行器的运动学、动力学模型,重点探究其在水下运动过程中的受力,借助Fluent软件对水空多旋翼飞行器在水下受到的粘性水动力进行分析,并进一步用多项式拟合粘性水动力与速度之间的关系。在此基础上,提出分段变参数PID跨介质控制方法,在Matlab中开展控制仿真实验。最后,引入遗传算法整定PID控制器,并将结果与前者进行对比。实验结果表明:水、空环境突变对PID控制算法影响巨大,分段变参数PID控制方法更加贴合实际跨介质过程;基于遗传算法的PID控制器参数整定方法能有效提高水空多旋翼飞行器跨介质性能。研究结果可为研究潜器跨介质、导弹出水、水空多旋翼飞行器的出入水控制等问题提供研究思路和理论参考。

倾转旋翼飞行器飞行力学模型研究

对倾转旋翼飞行器飞行力学模型的建立进行了理论研究。其中旋翼的气动模型,使用了非定常叶素理论,而对于机翼、尾翼和机身的气动力计算则采用了成熟的升力线理论模型。对于气动干扰的问题,则主要是考虑了机翼与旋翼的气动干扰。最后对算例飞行器不同模式下的飞行状态进行了飞行特性计算,验证了所建模型的合理性。

小型四旋翼飞行器动力学模型优化

重心偏移情况下以升力作为输入控制量建立的小型四旋翼飞行器动力学模型结构复杂、控制通道耦合,必须通过更换模型参数适应重心变化来保证姿态稳定。研究了重心偏移对小型四旋翼飞行器飞行姿态的影响,提出一种适用于重心偏移情况的小型四旋翼飞行器动力学模型建立方法,以转矩作为输入控制量,实现了模型中各通道的解耦,模型结构简单,便于仿真验证和控制。对比分析了以升力作为输入控制量和以转矩作为输入控制量所建立的两种模型,并设计相应的PID控制器对系统响应特性进行仿真分析,结果表明,此优化方案在重心偏移情况下,可直接调整输入量适应重心变化保证姿态稳定,对偏移量的补偿更佳准确有效,更具优越性和适用性。

倾转旋翼飞行器无模型自适应姿态控制

采用余弦加权分配法克服了控制操纵冗余问题,采用内/外回路控制结构解决了通道间耦合问题,实现了不同飞行模式下飞行控制系统统一建模。针对无人倾转旋翼飞行器动力学模型难于准确建立问题,引入伪梯度向量和伪阶数,应用无模型自适应飞行控制策略,使飞行控制系统对存在动力学特性非线性、时变性和未建模部分的被控对象具有更强的自适应性和鲁棒性。仿真验证了无模型自适应控制器的自适应性和鲁棒性优于比例-积分-微分控制器,给出了倾转旋翼飞行器由直升机模式到过渡模式再到飞机模式的全过程仿真,验证了无模型自适应控制器能够应用于倾转旋翼飞行器飞行控制系统设计,为无人倾转旋翼飞行器飞行控制系统设计,提供了一套新的控制系统设计方法,便于工程实现。

无人倾转旋翼飞行器冗余操纵控制策略设计

根据所建立的无人倾转旋翼飞行器飞行动力学模型配平和小扰动线性化处理结果分析了不同飞行模式下的操纵效率,应用多目标非线性控制方法的目标优化函数性能指标得到了操纵效率矩阵系数,设计了一套实用的舵面驱动分配策略,实现了飞行器全模式飞行,解决了飞行控制随飞行模式变化所要求的操纵冗余问题.采用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计控制器,有效降低了飞行控制器的设计难度.给出了一个全模式飞行仿真样例,运用线性PID控制器实现了稳定飞行控制.利用倾转旋翼飞行器飞行动力学模型仿真验证了操纵分配策略的有效性.

C8051F020的微型旋翼飞行器实验平台的控制系统

提出了一种与传统桨距角递推算法不同的基于高速摄影和图像处理的桨距角测定方法。根据实验要求,开发了一个以微型旋翼飞行器的非对称变距装置为测试主体的实验平台,并设计了一套基于C8051F020的微型旋翼飞行器实验平台的控制系统。该控制系统以C8051F020单片机为微控制器,用微型位置传感器来检测螺旋桨主轴的相位信息,并利用C8051F020单片机内部的PCA捕捉功能采集位置传感器的输出信号,得到螺旋桨主轴的四个相位;利用单片机输出的PWM方波信号控制电机的转速,以达到对螺旋桨电机进行加速的目的;利用单片机内部产生的PCA捕捉中断来触发高速摄像机的拍摄,以实现飞机加速与拍摄的同步。该控制系统结构紧凑,系统可靠性高。最后通过该控制系统来控制微型飞行器仿真飞机前飞的状态,得到该状态下桨叶的变距曲线,证明所提出的桨距角测定方法和由此开发的实验平台在测量桨距角中是有效的,达到了预期目标。

倾转旋翼飞行器的操纵策略和配平方法

根据倾转旋翼飞行器的构型特点,建立了倾转旋翼飞行器旋翼、机翼、短舱、机身、平尾(含升降舵)和垂尾(含方向舵)的气动力模型,研究了倾转旋翼飞行器的操纵策略以满足直升机模式的悬停/小速度飞行、直升机模式向固定翼飞机模式转换的过渡飞行和固定翼飞机模式的高速飞行,并运用最优方法研究倾转旋翼飞行器在不同飞行速度下作稳定对称飞行时的配平方法。最后以XV-15倾转旋翼飞行器为例,进行各种飞行模式的配平。结果表明:本文所述方法能合理地给出倾转旋翼飞行器在整个稳定飞行速度范围内的操纵量和姿态。

可跳飞自转旋翼飞行器推／升力系统参数优化

对自转旋翼飞行器推/升力系统参数进行了特性分析和多目标优化设计,解决了具有跳飞性能的现代旋翼机总体方案和系统设计难题.采用叶素理论和动态入流理论,以数值积分的方法建立推力和升力计算模型;在能量转换关系和自转旋翼气动特性的基础上,建立了旋翼机跳飞性能计算模型,分析了参数对跳飞过程的影响,并以算例验证了计算模型有效可靠.基于六西格玛和改进的遗传算法,对推/升力系统参数分层地进行了多目标优化,优化结果表明本文方法正确合理,优化后的系统参数提高了飞行器总体性能.

基于串级PID四旋翼飞行器控制系统研究

四旋翼飞行器具有不稳定、非线性、强耦合、建模不确定性等特性,同时是一个四输入、六输出的欠驱动系统。针对这样的系统,学者们在飞行器控制算法方面做了许多研究,比如LQR、滑模控制、反演控制等。虽然这些控制算法在姿态控制等方面有比较好的效果,但需要建立准确的数学模型,数据的实时处理对处理器性能要求高,实现起来有一定的困难。针对上述问题,以小型四旋翼飞行器为研究对象,根据牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器的运动、动力学模型,设计了一种易于实现的串级PID控制器,分别对飞行器的位置与姿态进行控制,应用MATLAB/Simulink对所设计的控制器进行仿真。结果表明,串级PID控制器能够快速、稳定、准确地对四旋翼飞行器实现姿态和位置的控制,同时具有比较好的鲁棒性。

旋翼飞行器飞行动力学系统辨识建模算法

描述了旋翼飞行器飞行力学模型的系统辨识建模算法,从旋翼飞行器飞行动力学建模的共性问题入手,首先采用机理建模的方法分析了旋翼飞行器主要气动部件所受气动力。考虑旋翼挥舞运动对旋翼飞行器飞行动力学特性的影响,建立了旋翼飞行器的飞行力学系统辨识参数化模型集。其次以子空间方法辨识初始飞行动力学模型,采用加权频域预报误差法获得最优模型的两步辨识方法解决旋翼飞行器这一非线性不稳定,多输入-多输出系统辨识问题,且所辨识模型与机理模型具有相同的结构。最后对样例直升机的悬停飞行状态模型辨识进行了数值与试飞试验验证,表明了方法的有效性。

小型四旋翼飞行器新型非线性PID姿态控制器设计

针对小型四旋翼飞行器姿态控制问题,设计了一种新型非线性PID姿态控制器。针对传统PID的不足,通过引入两个跟踪微分器以及误差反馈的非线性组合构成非线性PID,并结合简化的小型四旋翼飞行器数学模型,提出了一种基于新型非线性PID姿态控制方法。仿真结果表明,所设计的控制器具有较强的鲁棒性、抗干扰性以及良好的滤波性能,系统具有良好的动态和稳态性能。由于保留了传统PID优点,设计简单,对实际工程具有较大的指导价值。

基于广义动态尾迹倾转旋翼飞行器数学建模

为了进一步提高倾转旋翼飞行器的建模精度,采用广义动态尾迹理论建立旋翼的诱导速度模型,进而建立了旋翼气动力计算模型;考虑旋翼尾流对机翼的影响,建立了机翼气动力模型;考虑旋翼和机翼对其他升力面的气动干扰,建立相应的气动力计算模型;最后以XV-15倾转旋翼飞行器为例,对建立的模型进行验证。仿真结果表明:建立的飞行动力学模型可以很好地反映飞行器的物理特性,适用于倾转飞行器的飞行动力学研究。

基于滑模PID的微型旋翼飞行器轨迹跟踪控制

针对微型旋翼飞行器的轨迹跟踪精度不高的问题,提出一种基于自适应调节PID(Proportion Integration Differentiation)增益的滑模控制器。基于李亚普诺夫稳定性理论,通过自适应律在线调节PID控制增益参数,设计饱和函数抑制滑模控制器的高频抖振,以实现轨迹跟踪误差系统对模型参数变化和外部扰动的鲁棒性。仿真结果表明,该控制器能驱动旋翼飞行器精确跟踪期望的轨迹,具有较高的控制精度,能满足实际工程应用的要求。

倾转旋翼飞行器飞行力学建模及验证分析

为了进一步提高倾转旋翼飞行器的建模精度,考虑旋翼挥舞运动、采用有限状态尾迹模型描述旋翼诱导速度,进而建立旋翼气动力数学模型;考虑旋翼/机翼/干扰,建立相应气动力数学模型;针对倾转旋翼飞行器操纵冗余问题,建立了适用于全模态的操纵策略数学模型。最后以通用倾转旋翼飞行器数学模型和飞行试验数据,对建立的数学模型进行验证。仿真结果表明建立的飞行动力学模型具有良好的精度,适用于飞行动力学其他问题的分析研究。

共轴双旋翼飞行器建模及纵向姿态控制优化

基于共轴双旋翼飞行器六自由度模型及其自身结构特点,建立了相关的动力学模型,并以该飞行器的纵向姿态控制为例,提出了一种带自动修正因子的Fuzzy-PID自适应优化方法。利用Matlab/Simulink搭建了共轴双旋翼飞行器纵向姿态控制系统模型并进行仿真,与传统PID控制和常规Fuzzy-PID控制进行了对比。实验仿真结果表明,该控制方法能够改善系统的静动态特性,具有较好的自适应能力。