海水淡化高压泵与能量回收一体机水润滑轴承-转子系统稳定性

为保障海水淡化高压泵与能量回收一体机的安全稳定运行,对轴颈倾斜时的水润滑转子系统的稳定性展开研究.基于流体动压润滑理论,采用差分法和微扰法,建立考虑四自由度的32动力系数模型,同时求解转子动力学方程,分析不同偏心距、倾斜角、载荷下轴承的动静特性和口环间隙水膜产生的流体动压润滑效应对转子稳定性的影响.求解转子系统特征方程,并通过特征值实部对转子的稳定性进行分析.研究结果表明:倾斜运动对转子稳定性影响较大,四自由度下偏心率和倾斜角的增大使得32个动特性系数有不同程度的增大,从而减小运行过程中转子涡动产生的位移量,同时具有更高的承载能力;口环间隙水膜的动压润滑效应对转子稳定性具有不可忽视的影响,可使得转子的位移响应减小为原来的1/3,达到稳定运行的时间缩短为原来的1/3;一体机转子的极限转速为40000~45000 r/min,当转速超过极限转速时,系统出现正实部的特征值,增大口环宽度和减小口环水膜间隙厚度可增大转子的极限转速.

基于分布式控制的多无人机协作喷洒技术

针对现有的多无人机协同中航迹规划难、造成喷洒重叠遗漏等问题,文中研究了一种优化航迹的多无人机协同精准喷洒关键技术。建立四旋翼植保无人机的动力学模型,进行动态规划算法下的模拟实验。将无人机的作业能耗和非作业能耗、药液容量、路径长度作为约束条件,尽量减少转弯次数来优化航迹。该无人机集群采用分布式结构,利用了基于节点类型的贝叶斯联盟博弈算法,来对无人机联盟结构进行动态调整,达到航迹的优化目的。该方法已成功地应用于多无人机协同精准喷洒作业中,实验验证了该方法对航迹优化的有效性。

基于机器学习的四旋翼植保机目标识别研究

为了提高无人植保机的目标识别能力,提升其在复杂环境下自主化作业的适应性,将机器学习算法引入到了植保机目标自主识别系统的设计上,利用神经网络学习算法和图像增强处理技术提高了识别系统的准确性。模拟植保机的作业环境,在作业区域设置了大量的作物目标,通过植保机对目标物的识别对其性能进行了测试,结果表明:植保机可以准确地识别作物目标,满足自主作业时对目标自主识别的设计需求。

四旋翼无人飞行器控制律设计与仿真

四旋翼无人飞行器已经得到了广泛应用,其控制律设计的重要性日渐凸显。在构建四旋翼飞行器六自由度动力学模型的基础上,分别设计了基于PID控制和线性自抗扰两套控制律。首先给出基于PID控制的四旋翼控制律,对四旋翼的各个通道设计PID控制律,并进行六自由度仿真分析,随后给出基于线性自抗扰控制的四旋翼控制律,针对每个通道设计自抗扰控制回路,进行六自由度仿真分析,基于仿真结果对两者的控制效果进行对比,最终结果表明自抗扰控制方法可以有效地抑制超调且响应速度更快。

四旋翼飞行仿真器的PID神经元网络控制器设计

针对四旋翼飞行仿真器系统具有多输入、多输出及多变量等特点,设计了一套基于四旋翼飞行仿真器的PID神经元网络控制器。首先建立四旋翼飞行仿真器系统模型,然后以四旋翼飞行仿真器为控制平台,并以MATLAB/Simulink软件为实验平台,搭建PID控制器和PID神经元网络控制器模型,并分别使用两种控制方法进行实时飞行仿真实验。最后实验结果表明,相比PID控制,PID神经元网络控制方法对四旋翼飞行仿真器的调节时间更短、超调量更小,具有更优的控制性能。

基于拓扑优化的四旋翼无人机机身轻量化设计

针对四旋翼无人机机身轻量化需求,以小型四旋翼无人机机身结构为研究对象,基于质量最小原则对四旋翼无人机机身结构进行轻量化设计。选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)材料,利用Inspire软件分别对不同优化目标下的机身模型的形状控制进行了拓扑优化计算,依照质量最小原则,得到了基于形状控制为辐射状的小型四旋翼机身的关键结构特征。然后对拓扑优化的最优结果进行了几何重构及强度校核,得到适合于3D打印的结构,相对于初始结构实现了54%减重,且多工况下机身模型的应力、位移、安全系数都符合设计要求,接着通过切片软件设置层厚、模型摆放位置等参数对机身的三维数据进行前处理,最后通过3D打印机实现轻量化模型熔融沉积成型(FDM)快速制造。该研究结果为四旋翼无人机机身结构的设计提供一种新的设计思路,为实现低成本、轻量化的四旋翼无人机结构提供一条新的途径。

透平式能量回收一体机水润滑轴承四自由度动力特性

为研究水润滑轴承转子系统运行时转子受载不平衡导致轴颈产生倾斜的问题,针对透平式能量回收一体机转子系统以轴承在中间支撑、载荷在两端的结构特点,提出了一种通过联立转子动力学方程与雷诺方程并基于有限差分法求解滑动轴承四自由度非线性轴心轨迹的数值计算方法.采用四阶龙格库塔法迭代求解转子运动方程,系统分析了加载在轴两端的周期性载荷对转子轴心轨迹的影响.研究结果表明,叶轮受到水力激振力产生力矩,使主轴发生倾斜,主轴两端的轴心轨迹振幅明显大于中间位置;水力激振力相位差可影响转子系统的稳定性,当激振力相位差为0°时,轴颈不发生倾斜;随着水力激振力相位差增大,轴颈倾斜角度增大,轴两端的轴心轨迹振幅增大,转子系统运行稳定性变差;在主轴两端安装叶轮时应保持叶片相位角相同,可提高转子稳定性.研究成果可为高速水润滑轴承转子系统的设计提供理论指导.

四旋翼无人机参数预测和抗扰动自适应轨迹跟踪控制

为了降低外界环境对四旋翼无人机飞行轨迹的扰动性,提高无人机的控制精度,提出1种基于滑模控制的四旋翼无人机参数预测和抗扰动的自适应轨迹跟踪控制器。这种控制器对四旋翼无人机系统的不确定状态参数、气流、风阻和执行器故障等外界扰动进行预测,实现了对系统输入的状态补偿和扰动补偿,提高了无人机的轨迹跟踪效率和抗扰动能力,消除了机体在飞行过程中的抖振现象,提高了无人机系统对环境的适应性和控制器的稳定性。通过仿真实验,分析了四旋翼无人机在不同控制器作用下的轨迹跟踪性能曲线,验证了所提出的控制器的优越性和有效性。

基于反步自适应分数阶PID的四旋翼控制

为强化四旋翼无人机在受到自然风干扰情况下的抗干扰能力以及鲁棒性,提出一种将反步自适应控制与改进分数阶PID控制相结合的控制策略。首先分析四旋翼无人机的力学原理,建立受到气流干扰的四旋翼数学模型;然后通过不完全微分与前馈补偿改进传统PID控制器,用于控制四旋翼的外环位置子系统,设计反步自适应控制器用于控制内环姿态子系统,同时通过Lyapunov稳定性理论验证姿态子系统的稳定性;最后在Simulink平台进行仿真实验。实验结果表明,基于反步自适应控制与改进分数阶PID控制相结合的控制策略设计的控制器相较传统PID控制器、反步自适应控制器在快速性、稳定性、准确性方面更具优势。

弱磁型四旋翼AUV的深度与姿态控制

为对磁性敏感的实验装置提供一个无磁干扰、具有一定深度以及姿态稳定的水下测试环境,设计一款基于经典比例积分微分(PID)算法控制的弱磁型四旋翼水下自主航行器。本文通过外形设计,对该自主航行器进行三维建模,从而建立该AUV的运动学模型,进行稳定性分析。通过电气系统以及控制系统的设计与组装,调整各控制参数,成功搭建该自主航行器并进行水池实验。通过实验可知,基于PID控制的弱磁型四旋翼水下自主航行器通过无浮力缆与上位机连接,可以实现定深以及定姿态的功能。同时将各个误差值控制在理想范围内,验证了该控制系统的稳定性以及鲁棒性。

四旋翼无人机在复杂环境下载荷极限的研究

针对无人机在复杂风力环境下任务载荷极限模糊的问题,面向四旋翼无人机建立动力学模型并基于牛顿定律进行非线性规划,最终得到其在复杂环境下载荷极限大小。项目首先模拟两种复杂环境;其次,建立四旋翼植保无人机动力学模型;最后,利用非线性规划对四旋翼植保无人机进行约束,求得任务载荷极限大小,并利用MATLAB设计APP以直观地呈现结果。通过算例分析发现,无人机自身姿态、速度大小、来风大小以及风向会不同程度地影响无人机载荷极限大小,因此在实际工作中,正确地选择无人机姿态可以很好地提高无人机载荷极限,从而提高无人机利用率,推动未来我国通用航空产业的发展。

基于改进模糊PID的农用四旋翼飞行器姿态角控制

在农业植保的喷洒农药作业过程中,四旋翼飞行器的飞行姿态角不稳定,工作效率不高。为更好地解决四旋翼飞行器的姿态控制问题,运用遗传算法对模糊控制器中的比例量化因子和隶属度函数进行优化,将改进模糊控制应用到农用四旋翼飞行器的姿态控制,提高姿态控制能力。MATLAB软件的Simulink进行模型创建与虚拟仿真,然后对四旋翼飞行器进行测试。仿真实验结果表明,与模糊PID控制器相比,改进模糊PID控制器上升时间缩短了0.3 s,超调量减小了4%,调整时间缩短了约2.5 s.改进后四旋翼飞行器的响应速度快,控制效果好,鲁棒性较强,姿态控制性能提升,有效地提高工作效率。

四分仓回转式空气预热器热力特性及漏风数值模拟

针对机组四分仓空气预热器(空预器)漏风过大的问题,以某电厂1000 MW机组的四分仓回转式空预器为研究对象,通过理论分析和数值模拟相结合,对空预器热力特性、转子热变形以及漏风等问题进行研究。数值模拟结果表明:1000 MW机组漏风率每增加1%,空预器换热效率降低1.13%,电厂年平均多消耗3604 t标准煤;空预器内部在轴向和周向上有较大的温度梯度,而腐蚀和沉积区域大部分分布在低温段;空预器在不同工况运行时转子热变形存在较大的差异,最大热变形都发生在二次风侧,在设置密封系统时需根据转子不同位置热变形特点做出相应调整。

四旋翼飞行器农田位置信息采集平台设计与实验

作为对传统农田信息采集方式的补充,提出了一种基于小型飞行器的采集方式。阐述了四旋翼飞行器的工作原理,并设计了农田信息采集平台,制作出的样机载重为3.5 kg,滞空时间大于20 min。设计了惯性测量系统,在测试翻滚角误差小于0.5°时确定融合算法权重系数K为12,利用PID闭环控制,实现3 m高度悬停飞行的偏移误差不超过5 m。在平台上搭载Trimble 5700型GPS接收机进行了实时数据采样实验,结果表明人工采样与飞行采样数据误差约为1.4 m,表明该平台具有采集农田位置信息的基本能力。

基于滤噪微分器的四旋翼飞行器控制

在飞行器的控制中,角速率反馈可以提高控制系统的动态特性,但速率陀螺价格昂贵,且随运行时间的增加其性能会不断下降.对此本文提出了一种基于滤噪微分器的四旋翼飞行器滑模变结构控制律.该控制律使用的反馈信号仅由角度传感器得到,而无需角速率传感器.控制律中的角速率信息由王新华等设计的有限时间收敛的微分器得到.本文通过数学证明,给出了当测量信号中含有噪声时该微分器的理论跟踪误差上界.仿真以及对四旋翼飞行器滚转姿态的控制实验验证了微分器的抑制噪声作用和控制算法可行性.

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。

基于多传感器的四旋翼飞行器硬件电路设计

四旋翼飞行器以其优良的飞行安全性日益受到学术界的关注。为了实现对四旋翼飞行器的控制平台和硬件电路的设计,在对已有样机结构特点与飞行原理分析的基础上,采用多传感器技术对四旋翼飞行器的硬件电路进行了设计。针对陀螺仪的温漂现象,提出了以积分数据补偿和陀螺仪中点修正为核心的"互补算法"。通过仿真实验证明:该设计方法的有效性,解决了温漂问题,为新型无人四旋翼飞行器的研发提供了参考。

基于有限元的四旋翼无人机碳纤维结构优化设计与固有模态分析

根据消费级四旋翼无人机性能要求,设计了一款质量轻、强度高、航时长、构型简洁的全碳纤维结构消费级四旋翼无人机。建立了四旋翼无人机结构有限元模型,对额定载荷下无人机的结构应力进行了分析。基于最大应力强度准则,对无人机结构强度进行了校核。分析了结构的稳定性,计算了初始结构失稳临界载荷和失稳模态。基于最小重量要求对无人机初始结构的碳纤维铺层进行了优化设计。对优化后的结构进行了固有振动分析,给出了结构的前四阶固有频率和振动模态。优化后的结构在2 g过载下,极限载荷是最大使用载荷的2.57倍,失稳临界载荷是最大载荷的2.09倍,满足设计目标和要求。优化后的结构重量减少了21%,降低为108.6 g,有效载荷约为机体结构重量的3倍。

四旋翼碟形自主水下航行器运动方程建立与流体特性仿真研究

四旋翼碟形自主水下航行器（AUV）是一种新型水下航行器。为研究此航行器的流体动力特性,建立了四旋翼碟形AUV的三维模型,并定义了参考坐标系和广义特征参数;在其体坐标系中根据动量和动量矩定理,建立了广义参数定义的AUV六自由度动力学方程和运动学方程;采用计算流体力学方法,基于Ansys CFX流体分析软件,在的0°～90°攻角范围内,对航行器运动过程中的流体动力特性进行了仿真研究,并绘制了其特性曲线。仿真结果表明：在0°～15°攻角范围内,航行器具有较低的流体阻力,适宜做定深运动;在30°～50°攻角范围内,航行器具有良好的升力特性,适宜完成曲线潜浮运动。

基于自适应逆控制方法的小型四旋翼无人直升机姿态控制

以上海交通大学工程训练中心运动控制实验室自行研制的小型四旋翼无人直升机为研究对象,搭建了姿态控制实验系统.根据牛顿-欧拉方程建立了小型四旋翼直升机的动力学模型,首次将自适应逆控制(AIC)方法运用于小型四旋翼直升机控制系统中,实现了小型四旋翼直升机的姿态稳定控制.仿真结果和实际飞行实验表明,AIC方法在小型四旋翼直升机姿态控制中具有很好的实时性和鲁棒性.