倾转旋翼机悬停状态气动干扰分析

针对倾转旋翼机,开展了悬停状态气动干扰风洞试验和数值模拟研究。试验中,测量了悬停状态下的旋翼升力、扭矩以及半模机翼的气动力。同时,采用运动嵌套网格方法,通过求解N-S方程对机翼倾角0°和90°两种状态进行数值模拟,开展了数值模拟与风洞试验的相关性分析研究,验证了该数值模拟方法的有效性。结果表明:不考虑机身气动力时,孤立旋翼、机翼攻角0°和机翼攻角90°三种状态下旋翼气动特性差异不明显;考虑机身气动力时,机翼攻角0°时,机身产生约18.2%向下载荷,单片桨叶和机身出现强烈非定常气动特性,其中桨叶升力系数动态值与平均值比为9.8%,机身升力系数动态值与平均值比为18.38%。

无人机系列化旋翼气动噪声特性对比研究

旋翼的气动噪声是各类旋翼无人机噪声的主要来源,为降低无人机整体噪声和提升其声隐身性能,文中针对某无人机的系列化等径旋翼开展定转速气动噪声特性的对比研究.分别建立各旋翼气动噪声特性预测大涡模拟计算模型,将获取的各旋翼表面压力脉动信息作为声学求解输入,基于FW-H方程计算了等距(3R)和不同方位的旋翼远场噪声特性并进行了试验验证,5个型号旋翼等距处总声压级仿真与试验结果误差不大于4.3%,气动噪声呈现明显的偶极子特性,气动噪声径向声压级明显高于轴向值,且不同旋翼的气动噪声声压级与旋翼转矩具有正相关关系,与旋翼升力间关系则不明显.

基于低空视觉的直升机旋翼轴心轨迹测量法

为满足直升机飞行状态旋翼轴心轨迹测量需求,提出了一种基于低空双目视觉的轴心轨迹测量方法。首先,针对高速旋转体的小量测量,基于立体视觉测量原理设计构建了以无人机为低空移动平台的旋翼轴心轨迹视觉测量系统。其次,针对动-动测量环境条件,提出了地面标定与空中动态实时标定联合的测量系统标定方法。然后,基于空间几何关系,论述了旋翼轴心静态估计与动态轨迹测量方法;最后,进行了测量系统地面精度验证试验与直升机地面开车状态的旋翼轴心轨迹测量试验。试验结果表明,该方法准确可靠,点间距离精度优于1‰,可实现轴心轨迹的非接触精确测量,还可推广应用于其他动态小量测量任务。

不同前倾角度倾转旋翼噪声数值计算分析

基于自由尾迹结合FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的方法建立了倾转旋翼气动噪声计算模型,并采用倾转旋翼模型噪声试验数据验证了计算分析方法的有效性。选取典型过渡路径,进行考虑配平的倾转双旋翼气动噪声特性计算,获得了旋翼桨叶剖面非定常气动载荷以及不同测点气动噪声等计算结果,分析了倾转旋翼在不同前倾角下噪声指向性和噪声声压级的变化。结果表明:由于双旋翼噪声在传播中的叠加和抵消,倾转双旋翼和孤立单旋翼的噪声指向特性存在较大的不同;倾转旋翼噪声随前倾角增加总体上呈现先增加后减小的变化趋势,在前倾角30°附近噪声最强;不同前倾角下噪声声压级和指向性的变化与旋翼桨尖马赫数、气动载荷和桨盘角度等多种因素相关。

直线型倾转多旋翼植保无人机建模与控制

针对直线型倾转多旋翼植保无人机模型耦合复杂、作业时易受施药执行器干扰等问题,提出了一种模型补偿-线性自抗扰控制算法。首先建立无人机运动学和动力学模型,并分析作业时离心喷头产生的力矩作用影响;然后将作业模型中的固定部分作为已知扰动,引入模型补偿-扩张状态观测器估计内外未知总扰动并动态补偿控制系统,完成位姿控制器设计。仿真结果表明,所提出的算法在作业场景下偏航角度误差小于0.2°,恢复时间小于0.55 s,相比于PID算法和线性自抗扰算法最大角度偏差分别降低3.4°和0.9°,恢复时间减少3.1和0.99 s,具有较强的鲁棒性。飞行实验表明,该无人机可以很好地跟踪植保作业轨迹,最大位置稳态误差小于15 cm,满足植保作业需求。

基于虚拟力分析的全柔性共轴旋翼无人机路径跟踪方法

随着无人机作业工况复杂性的提升,对其控制精度提出了更高要求,需结合多种因素对无人机控制系统和结构特性进行建模并开展改进研究。该文章提出了基于虚拟力分析的全柔性共轴旋翼无人机路径跟踪方法:首先,基于旋翼柔性变形的受力形变模型构建全柔性共轴旋翼无人机动力学模型;然后,依据虚拟力分析方法制定虚拟力反馈控制律,并利用长短时记忆网络实现基于虚拟力反馈无人机路径跟踪;最后,开展模型特性分析及仿真实验,验证了所提方法在抵抗外界干扰方面具有有效性和鲁棒性。

基于加权D-S证据理论的旋翼故障诊断

旋翼作为直升机的升力面和操作面,其健康状态对直升机的安全至关重要。旋翼故障诊断技术仍是直升机健康与使用监测系统(Health and usage monitoring system, HUMS)领域的薄弱环节,开发旋翼故障诊断技术具有重要价值。基于信息融合技术,首先分析了旋翼故障的诊断机理,建立了旋翼故障模型,通过流固耦合仿真获取了不同故障下桨叶、轮毂和机身的故障特征信息,生成数据集进行网络训练和验证。然后,利用遗传算法反向传播(Genetic algorithm-backpropagation, GA-BP)优化神经网络诊断3种类型的直升机旋翼故障,即后缘调整片误调、变距拉杆误调和桨叶质量不平衡。3个逐级神经网络分别对旋翼故障类型、故障位置和故障程度进行了诊断识别。最后采用加权的Dempster-Shafer(D-S)证据理论对旋翼故障进行诊断和分析。结果证明基于改进D-S证据理论的旋翼故障诊断方法能够成功应用到旋翼故障诊断中,并具有良好的识别效果。

多节链式倾转旋翼飞行器重构控制与运动仿真

多节链式旋翼飞行器具有构形可变换的特点,是应对运动空间变化的一种有效构形设计方式。受限于构形变化下电机共轴带来的横向转动力矩的缺失,多节链式旋翼飞行器的动态重构飞行具有无法达成的临界构形区间。为此,设计了具备横向倾转的链式旋翼机体结构,以单机臂为模块化结构基本单元,通过旋转关节实现水平向的构形变化,机臂中段配置倾转矢量关节,用以提供滚转力矩支撑。在机体运动学、动力学模型推导的基础上,引入虚拟控制量对控制分配进行线性化处理,利用Moore-Penrose伪逆求解控制效率矩阵,面向全构形变换设计了基于全驱动控制的飞行控制律。对飞行器典型构形位姿控制的稳定性、构形变换控制的可行性进行实验论证,仿真结果表明:在飞行器各典型构形飞行状态下,姿态各轴向角度跟踪最大误差不超过0.05°,构形变换过程中,姿态各轴向角度跟踪误差不超出0.1°,2种情况下,位置偏差均能控制在1 mm以内,飞行器具备各构形下稳定飞行及构形变换的能力,为进一步开展动态重构及稳健飞行提供了必要条件。

基于半解析涡环模型的农用单旋翼直升机流场快速计算

农业航空领域中,定量获取风场(流场)速度分布对单旋翼直升机辅助授粉作业、农药施用效率提升具有重要意义。基于此提出一种半解析理论方法能够快速完整计算单旋翼流场速度。以涡环模型为基础,将农用直升机旋转桨盘下的尾涡系等效为涡环连续叠加所形成的圆柱涡面,再由涡环速度诱导公式半解析计算直升机旋翼空间各点速度。理论模型与仿真和文献试验数据比较,结果表明:涡环模型简单快速,普通计算机(CPU 2 GHz,内存2 GB)上2.8 s完成计算;悬停时与计算流体力学仿真结果下洗速度径向平均误差小于1.9 m/s,平均相对误差小于39.1%,轴向平均误差小于2.26 m/s,平均相对误差小于54.6%;悬停时,诱速从中央往桨尖递增;前飞时,平飞速度越大诱速越小;流场主要影响因素依次为前飞速度、旋翼半径、飞机总重、空气密度。为定量计算农用直升机旋翼风场、辅助授粉作业和田间施药喷头布置提供一种快速方法和参考。

旋翼飞行机械臂固定时间滑模控制

针对旋翼飞行机械臂轨迹跟踪控制中的不确定性和扰动问题,提出了一种基于固定时间滑模观测器的滑模控制算法。首先,在广义坐标系下建立了旋翼飞行机械臂运动学与动力学模型,并设计出固定时间观测器对模型参数不确定性与外部扰动进行估计,通过在滑模中引入分段函数和饱和函数抑制固定时间观测器的抖振,加快其收敛速度。随后,将旋翼飞行机械臂划分为位置、姿态以及机械臂3个子系统,基于固定时间理论,分别对3个子系统设计了新型固定时间滑模控制器,并设计自适应趋近律以抑制滑模控制器的抖振。与传统滑模控制器相比,该控制器具有更快的收敛速度与更好的跟踪性能。利用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性。最后通过仿真实验验证了所提算法的有效性,该算法对旋翼飞行机械臂轨迹跟踪控制具有较好效果。

基于串级模型预测控制的倾转旋翼机过渡段控制

针对倾转旋翼机过渡阶段存在的纵垂向控制通道切换问题,基于串级控制框架提出了一种具有自适应权重矩阵的模型预测控制(model predictive control,MPC)策略。首先,通过分析直升机模态和定翼机模态的控制结构差别,构造了兼容全部飞行模态的增广串级控制结构。然后,在确立了倾转旋翼机的模糊建模策略后,设计了MPC目标函数中权重矩阵的参数自适应变化律,从而使内环和外环中高度、前飞速度的跟踪误差惩罚项根据所处模态的不同有着不同的惩罚占比。这样可以使在过渡阶段设计的增广串级控制结构能始终满足时标分离原则。该控制方案将2个飞行模态和过渡阶段的控制纳入一个统一的控制结构中,实现了各飞行模态间的自由切换。仿真结果表明,所提控制方案有良好的控制效果,控制量较为平滑。

共轴刚性旋翼气动特性试验与分析

共轴刚性旋翼直升机是高速直升机的主要发展方向之一,为了深入了解前进比及升力偏置对共轴刚性旋翼气动特性的影响,在航空工业气动院FL-52风洞开展了共轴刚性旋翼气动特性风洞试验,通过合理的操纵与配平策略,实现了共轴刚性旋翼配平,并对悬停、多种前飞状态下气动特性及升力偏置对旋翼操纵特性及性能的影响机理进行了研究。结果表明,试验取得了比较好的配平效果,桨毂力矩、合扭矩及升力偏置配平误差分别优于±2 N·m、±0.5 N·m、±0.01;悬停状态扭矩配平与非配平状态下,上旋翼效率都大于下旋翼,差动总距效率随联动总距的增大而增大;前飞状态升力偏置可有效提升大前进比时旋翼气动效率而小前进比时则并不明显,升力偏置的增大会使上下旋翼的桨毂滚转力矩大幅增加。

倾转机翼/旋翼机过渡姿态规划分析

针对带有倾转机翼段的新构型倾转旋翼机复杂的倾转过渡变构型过程,提出一种基于动量叶素理论的高速段倾转走廊边界计算方法。通过低速时机翼失速限制和高速时旋翼可用功率限制建立倾转过渡走廊计算模型,对比了传统构型倾转旋翼机和倾转机翼/旋翼机的倾转过渡走廊差别。对2种构型倾转旋翼机倾转过渡状态下前飞速度、机身迎角、旋翼桨距角姿态进行了对比分析。结果表明:带有倾转机翼段的倾转机翼/旋翼机具有更狭窄的倾转走廊,在短舱角0°状态,倾转机翼段占1/3展长的旋翼机相较于传统构型倾转旋翼机,倾转速度边界从39~57 m/s缩减到41.7~51.2 m/s,倾转操纵难度加大;在大于45°短舱角的倾转前期,同样的前飞速度和短舱倾转角状态下,倾转机翼/旋翼机机身迎角降低约2°,旋翼桨距角增大1°~4°,随着倾转过渡的完成,2种构型倾转旋翼机姿态差异逐渐变小。

旋翼翼型动态失速非定常介质阻挡放电流动控制研究

针对动态失速导致旋翼翼型气动性能恶化的问题,借助介质阻挡放电非对称构型激励器,通过脉动压力传感器测量,开展了旋翼翼型动态失速非定常等离子体流动控制研究。重点对非定常等离子体控制机理和非定常激励参数影响进行了探究,试验验证了非定常等离子体激励的良好控制能力。研究表明:非定常流动控制可以减弱翼型的升力骤降,20%的占空比就足以取得明显的控制效果;激励频率F^(+)=1~2时的非定常控制效果最好,升力迟滞环面积减小16%,升力系数平均值提高6%。机理分析发现等离子体激励主要作用于动态失速涡脱落后,非定常激励明显削弱了动态失速涡脱落对翼型气动力的不利影响,同时非定常激励可以产生更多的涡以促进前缘逆压梯度的恢复和流动的重附着。

基于载荷发散控制的旋翼高原气动设计

直升机高原重载快速飞行时,旋翼处于大总距状态,更易发生旋翼失速,导致操纵载荷显著增加。为解决这一问题,本文提出了基于载荷发散控制的旋翼高原气动设计方法。传统直升机旋翼设计中,性能、噪声、空机重量控制等要求是常规的设计目标,对拉力性能影响不大的旋翼失速问题往往被忽视,但其对高原直升机来说影响重大。文中构建了旋翼动力学模型,并据此计算了桨叶动态气动力矩系数C_(m)随单位实度拉力系数C_(T)/σ的变化曲线。以C_(m)突增作为旋翼失速基本判据,分析不同前进比μ下C_(m)突增点,形成旋翼失速载荷发散单位实度拉力系数C_(T)/σ包线,以此作为旋翼高原气动设计边界之一。运用该方法设计的AC313大型民用直升机的理论分析和试飞结果均表明,该设计可极大地减少旋翼在高原典型飞行剖面发生旋翼失速的风险,有效控制旋翼操纵系统的载荷,增加操纵系统使用寿命,提升飞行舒适性,很大程度上保证了飞行安全,在直升机的全生命周期使用中作用积极。

旋翼无人机目标雷达探测技术研究进展

旋翼无人机因其垂直起降、低空飞行和长时间滞空悬停等优势,在军事和民用领域被广泛使用,然而旋翼无人机的泛滥和非法使用也给社会秩序和国家安全带来了严峻挑战。雷达探测技术是无人机探测领域的关键技术之一,在无人机探测识别方面具有不可替代的优势。首先介绍了旋翼无人机的特性与探测难点,其次重点分析了3种旋翼无人机雷达探测技术的基本原理和特点以及基于人工智能的识别技术,最后探讨了未来旋翼无人机雷达探测技术的发展趋势和研究方向,为解决基于雷达系统的旋翼无人机探测识别问题提供了一定的参考。

仿生四足六旋翼无人机自适应着陆性能分析

旋翼无人机在民用和军用领域被广泛应用,但传统橇式起落架在复杂地形下难以起降,为了扩大旋翼无人机的降落面积和应用范围,设计一种仿人腿式两级缓冲自适应起落架。通过对仿生腿的正逆运动学分析,提出一种自适应起落架姿态调整策略;建立仿生四足六旋翼无人机着陆动力学模型,基于多体动力学软件simcenter 3D开展着陆动力学仿真,并与传统橇式起落架进行着陆性能对比研究。结果表明:着陆腿式的两级缓冲自适应起落架及其姿态调整策略,能够使滚转角减小95.69%,过载系数降低34.06%,两级缓冲自适应起落架在面对复杂地形时具备主动调节姿态安全着陆的地形适应能力和极好的减震缓冲能力。

旋翼近水面效应影响因素

旋翼在近水面高速旋转产生的水气交混流场会引发近水面效应,为了解近水面效应对飞行器介质跨越造成的潜在风险,通过近水面与地面实验详细对比了不同直径的碳纤维旋翼桨叶在无地效、地面效应与近水面效应工况下的气动特性。研究分析了旋翼近水面效应关键影响因素,指出了旋翼在近水面工作时拉力、扭矩与功率剧烈变化的原因,初步认识了液滴对于旋翼的作用,揭示了近水面效应影响规律:对于直径0.56 m桨叶,在高油门、低水面距离工况下,近水面效应具有非线性增升、增阻、转速降低、需用功率增大的效果;低油门、高水面距离工况下具有增升、减阻的效果;同时近水面效应又受旋翼直径、桨叶类型、转速影响。对于直径0.25 m桨叶,在不同工况下近水面效应都具有增升、减阻的效果。

倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积可视化计算方法

机翼滑流区面积计算是进行倾转旋翼飞行器旋翼与机翼气动干扰分析的关键,针对倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积计算,基于CATIA二次开发和参数化设计技术,结合气动计算和三维几何图形运算,提出一种可视化计算方法,其能够在考虑机翼和旋翼参数影响的情况下,准确计算机翼滑流区面积,并且能够直观地确定机翼滑流区区域及机翼滑流区随各项参数的动态变化过程。通过基于XV-15倾转旋翼飞行器参数进行实例计算和分析,结果表明:机翼安装角、后掠角、上反角等机翼参数在纵向和侧向分析时对机翼滑流区面积影响较小;旋翼后倒角、侧倒角及旋翼主轴侧倾角等旋翼参数对机翼滑流区面积影响较大;在不考虑旋翼后倒角和侧倒角的情况下,采用所提方法对XV-15倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积进行计算,计算精度最大可提升18.976%。

基于改进遗传算法的倾转旋翼无人机区域覆盖路径规划

基于改进遗传算法研究倾转旋翼无人机(TRUAV)在多障碍物约束下的区域覆盖路径规划问题.运用最小跨度算法和往返路径生成算法进行任务区域内的覆盖路径初规划,将区域覆盖问题转化为旅行商问题以优化覆盖路径顺序.为了避开区域内的障碍物,提出鱼尾形避障策略.引入最近邻算法,生成比传统遗传算法质量更高的初始种群,设计三点式交叉算子和动态区间变异算子进行遗传操作以提高所提算法的全局搜索能力,避免算法陷入局部最优.在含多个障碍物的多边形区域算例内仿真验证所提算法的性能.结果表明,相比于逐行路径覆盖算法和传统遗传算法,所提算法的覆盖路径长度减少了7.80%,TRUAV的任务区域覆盖效率显著提升.