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Flight trajectory optimization of sun-tracking solar aircraft under the constraint of mission region

Chinese Journal of Aeronautics 2021年第11期34卷 140-153页

作者： Mingjian WU Zhiwei SHI Tianhang XIAO haisong ang School of Mechanical Engineering Nanjing University of Science and TechnologyNanjing 210094China School of Aerospace Engineering Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016China

The optimal yawing angle of sun-tracking solar aircraft is tightly related to the solar azimuth angle,which results in a large arc flight path to dynamically track the sun ***,the limited detection range of payload usually requires solar aircraft to loiter over areas of interest for persistent surveillance *** large arc sun-tracking flight may cause the target area on the ground to be outside the maximum coverage area of *** present study therefore develops an optimal flight control approach for planning the flight path of sun-tracking solar aircraft within a mission *** proposed method enables sun-tracking solar aircraft to maintain the optimal yawing angle most of the time during daylight flight,except when the aircraft reverses its direction by turning *** a circular region with a mission radius of 50km,the optimal flight trajectory and controls of an example K-shaped sun-tracking solar aircraft are investigated *** demonstrate the effectiveness of the proposed approach to optimize the flight path of the sun-tracking aircraft under the given circular region while maximizing the battery input ***,the effects of varying the mission radius on energy performance are explored *** has been proved that both net energy and energy balance remain nearly constant as the radius constraint varies,which enables the solar aircraft to achieve perpetual flight at almost the same latitude as the large arc *** method and results presented in this paper can provide reference for the persistent operation of sun-tracking solar aircraft within specific mission areas.

关键词： Energy performance Mission region Optimal yawing angle Perpetual operation Sun-tracking solar aircraft Trajectory optimization

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Flight mechanism and design of biomimetic micro air vehicles

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Science China(Technological Sciences) 2009年第12期52卷 3722-3728页

作者： ang haisong XIAO TianHang DUAN WenBo Research Center of Micro Air Vehicle Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016China

This paper summaries the investigations on natural flyers and development of bio-mimetic micro air vehicles(MAVs)at NUAA,China,where the authors have led a group to conduct research for a decade. The investigations include the studies of low Reynolds number aerodynamics,unsteady computational fluid dynamics and flight control for the fixed-wing MAVs,the bird-like MAVs,the dragonfly-like MAVs and the bee-like MAVs.

关键词： biomimetics micro air vehicles aerodynamics configuration design

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微型飞行器的设计原则和策略

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航空学报 2016年第1期37卷 69-80页

作者：昂海松南京航空航天大学微型飞行器研究中心南京210016

为了探索微型飞行器(MAV)总体设计方法,在简要介绍微型飞行器的概念与技术难点的基础上,笔者根据多年的MAV研究和试验,提出了对微型飞行器设计原则的思考,阐述了研究性和实用性MAV以及固定翼、扑翼和旋翼等不同类型MAV的设计特点。通过... 详细信息

为了探索微型飞行器(MAV)总体设计方法,在简要介绍微型飞行器的概念与技术难点的基础上,笔者根据多年的MAV研究和试验,提出了对微型飞行器设计原则的思考,阐述了研究性和实用性MAV以及固定翼、扑翼和旋翼等不同类型MAV的设计特点。通过MAV设计的矛盾与协调关系、设计方法和优化问题说明了MAV设计的特殊性。最后,展望了微型飞行器设计的发展方向,为微型飞行器总体设计研究提供了参考思路。

关键词：微型飞行器总体设计技术难点设计原则设计策略

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变体平尾翼型气动外形设计方法

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南京航空航天大学学报 2012年第6期44卷 780-785页

作者：杜厦昂海松南京航空航天大学航空宇航学院南京210016

为了使飞机在控制飞行姿态时仍然能保持最优升阻比,提出了一种通过改变翼型形状来代替传统控制舵面来控制飞机俯仰的方法。采用伯恩斯坦多项式对机翼的翼型进行数学建模,并采用遗传算法通过空气动力学仿真对翼型进行优化得到一组在一定... 详细信息

为了使飞机在控制飞行姿态时仍然能保持最优升阻比,提出了一种通过改变翼型形状来代替传统控制舵面来控制飞机俯仰的方法。采用伯恩斯坦多项式对机翼的翼型进行数学建模,并采用遗传算法通过空气动力学仿真对翼型进行优化得到一组在一定飞行环境下、产生附加阻力最小且随升力系数变化的翼型形状。通过对比证明在提供相同升力的情况下,变体翼比传统的控制舵面产生更小的附加阻力。根据翼型形状和升力系数的变化采用数据拟合的方法得到翼型形状控制参数随升力变化的规律。通过算例对变化规律的验证表明其可以用来作为飞行姿态控制的翼型形状变化依据。

关键词：变体机翼变形机构传统控制面气动特性优化设计

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柔性扑翼的气动特性研究

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应用力学学报 2005年第1期22卷 1-7页

作者：曾锐昂海松梅源南京航空航天大学南京210016 南京电子技术研究所南京210016

以往扑翼的气动力计算研究都很少考虑扑翼的柔性,而在鸟的扑翼动作中,在外加气动力和鸟自身的扑动力作用下,扑翼的柔性变形相当大。本文在原有匀速刚性模型的基础上,提出考虑了扑翼扑动速率变化和形状变化的扑翼分析模型,使之更接近鸟... 详细信息

以往扑翼的气动力计算研究都很少考虑扑翼的柔性,而在鸟的扑翼动作中,在外加气动力和鸟自身的扑动力作用下,扑翼的柔性变形相当大。本文在原有匀速刚性模型的基础上,提出考虑了扑翼扑动速率变化和形状变化的扑翼分析模型,使之更接近鸟翼柔性扑动真实情况。通过计算分析气动特性发现,控制适当的话,柔性变形能大大改善扑翼的气动性能。本文通过模拟鸟扑翼的柔性运动,计算了时柔性扑翼气动力以及平均升力系数和平均推力系数随着扑动角、倾斜角等参数变化的情况,从而从气动的角度解释了为什么鸟在不同的飞行阶段扑翼规律各不相同,并为柔性扑翼飞行器的设计提供了理论依据。

关键词：柔性扑翼微型飞行器扑翼模型数值模拟计算

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蜻蜓前后翼相位特性和气动干扰的数值研究

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航空学报 2009年第7期30卷 1165-1175页

作者：肖天航昂海松南京航空航天大学航空宇航学院江苏南京210016

蜻蜓能通过改变前后翼间的相位实现对不同飞行姿态的控制。通过在动态非结构嵌套网格上求解非定常Navier-Stokes(N-S)方程,数值模拟三维蜻蜓模型在悬停(前进比J=0)和中等前飞速度(J=0.3)两种状态下的流场,每种状态各计算0°～360°间隔3... 详细信息

蜻蜓能通过改变前后翼间的相位实现对不同飞行姿态的控制。通过在动态非结构嵌套网格上求解非定常Navier-Stokes(N-S)方程,数值模拟三维蜻蜓模型在悬停(前进比J=0)和中等前飞速度(J=0.3)两种状态下的流场,每种状态各计算0°～360°间隔30°的13个不同相位。考察气动力和气动功率随相位的变化关系以及前后翼间的气动干扰。结果发现,平均举力和平均气动功率随相位的变化呈U型分布,举力足够用于平衡重力,气动功率也符合蜻蜓真实飞行的统计数据。90°～270°的较宽相位范围内,两翼间的气动干扰较为强烈且比较稳定,该范围内能量消耗较小,功率最省,在一定程度上解释了蜻蜓翼具有特定相位的现象。

关键词：蜻蜓非定常流场气动干扰相位特性数值模拟

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微型飞行器自主飞行专家模糊控制技术

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南京航空航天大学学报 2008年第4期40卷 561-565页

作者：郑祥明昂海松南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室南京210016

微型飞行器(Micro air vehicles,MAV)的自主飞行控制是目前国内外微型飞行器研究领域正在积极开展的一项研究。由于MAV自身尺寸微小,飞行环境复杂多变,其飞行力学具有明显的非线性、非定常特性,传统的飞行控制技术已非常不适用。本文将... 详细信息

微型飞行器(Micro air vehicles,MAV)的自主飞行控制是目前国内外微型飞行器研究领域正在积极开展的一项研究。由于MAV自身尺寸微小,飞行环境复杂多变,其飞行力学具有明显的非线性、非定常特性,传统的飞行控制技术已非常不适用。本文将模糊控制技术引入到MAV飞行控制之中,实现了各个方向的姿态控制、高度控制,在此基础上,根据MAV飞行力学特性与实际飞行经验,建立了一个完整的专家控制体系,实现了MAV自主飞行控制。最后,运用Lyapunov理论,验证了系统的全局稳定性。

关键词：微型飞行器自主飞行模糊控制专家系统 Lyapunov稳定性

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一种新型三维仿生扑翼机构设计与分析

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南京航空航天大学学报 2007年第4期39卷 457-460页

作者：朱保利昂海松郭力南京航空航天大学航空宇航学院

以昆虫翅膀运动机理为基础,提出了一种复合3种运动的仿生扑翼新机构。由于能使翼尖按8字形或香蕉形运动及机翼扭转,同时可保证两翼的运动对称,使扑翼运动更符合昆虫运动形态。为了实现生物运动轨迹,建立了机构参数的优化模型,并据此设... 详细信息

以昆虫翅膀运动机理为基础,提出了一种复合3种运动的仿生扑翼新机构。由于能使翼尖按8字形或香蕉形运动及机翼扭转,同时可保证两翼的运动对称,使扑翼运动更符合昆虫运动形态。为了实现生物运动轨迹,建立了机构参数的优化模型,并据此设计了扑翼微型飞行器样机,其扑动规律能更逼真地模拟昆虫翼的扑动形态,为新型微型飞行器的设计提供样机。

关键词：微型飞行器仿生设计三维扑翼机构参数优化

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用于变形机翼夹心式柔性伸缩蒙皮的梯形蜂窝支撑结构

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复合材料学报 2015年第3期32卷 815-822页

作者：沈元昂海松刘卫东南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室南京210016

变形机翼技术的实现离不开柔性蒙皮技术的支持,提出了一种应用于变形机翼夹心式柔性伸缩蒙皮的面内褶皱型梯形蜂窝蒙皮支撑结构。通过理论分析研究了该支撑结构的面内伸缩特性,得到其面内横向无量纲化等效弹性模量大小与3个参数(形状系... 详细信息

变形机翼技术的实现离不开柔性蒙皮技术的支持,提出了一种应用于变形机翼夹心式柔性伸缩蒙皮的面内褶皱型梯形蜂窝蒙皮支撑结构。通过理论分析研究了该支撑结构的面内伸缩特性,得到其面内横向无量纲化等效弹性模量大小与3个参数(形状系数k、宽度系数t和高度系数h)之间的关系:其等效弹性模量随k增大而减小,随t增大而增大,随h增大而减小。利用ANSYS软件对其进行了有限元分析并通过实验对其面内力学特性进行了验证。结果表明:理论分析、有限元结果与实验结果基本吻合。通过选择合适的结构参数,其面内横向等效弹性模量可达到原材料弹性模量的10-4,比同等参数下手风琴式支撑结构的面内横向等效弹性模量更小,变形能力更强。相比传统蒙皮支撑结构,该结构可以减小变形过程中的驱动力与能量消耗,提高柔性蒙皮的变形效率。

关键词：变形机翼梯形蜂窝柔性蒙皮弹性模量有限元分析

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基于单目视觉的室内微型飞行器位姿估计与环境构建

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南京航空航天大学学报 2012年第2期44卷 165-171页

作者：郭力昂海松郑祥明南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室南京210016

针对微型飞行器(Micro air vehicle,MAV)在室内飞行过程中无法获得GPS信号,而微型惯性单元(Inertial measurement unit,IMU)的陀螺仪和加速度计随机漂移误差较大,提出一种利用单目视觉估计微型飞行器位姿并构建室内环境的方法。在机载... 详细信息

针对微型飞行器(Micro air vehicle,MAV)在室内飞行过程中无法获得GPS信号,而微型惯性单元(Inertial measurement unit,IMU)的陀螺仪和加速度计随机漂移误差较大,提出一种利用单目视觉估计微型飞行器位姿并构建室内环境的方法。在机载单目摄像机拍摄的序列图像中引入一种基于生物视觉的方法获得匹配特征点,并由五点算法获得帧间摄像机运动参数和特征点位置参数的初始解;利用平面关系将特征点的位置信息由三维降低到二维,给出一种局部优化方法求解摄像机运动参数和特征点位置参数的最大似然估计,提高位姿估计和环境构建的精度。最后通过扩展卡尔曼滤波方法融合IMU传感器和单目视觉测量信息解算出微型飞行器的位姿。实验结果表明,该方法能够实时可靠地估计微型飞行器的位置和姿态,构建的环境信息满足导航需求,适用于微型飞行器室内环境中的导航控制。

关键词：微型飞行器生物视觉维数降低局部优化位姿估计环境构建

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