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主动变形四旋翼自抗扰飞行控制方法

控制理论与应用 2021年第4期38卷 444-456页

作者：张钊杨忠段雨潇廖禄伟卢凯文张秋雁南京航空航天大学自动化学院江苏南京211106 贵州电网有限责任公司贵州贵阳550002

为了获得更好的环境适应性,研究设计了一种主动变形四旋翼飞行器.飞行器的变形主要分为两种:机臂伸缩和折叠.为抑制系统所受内外扰动影响,设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控制器.首先对主动变形四旋翼结构进行设计,使用牛顿欧拉... 详细信息

为了获得更好的环境适应性,研究设计了一种主动变形四旋翼飞行器.飞行器的变形主要分为两种:机臂伸缩和折叠.为抑制系统所受内外扰动影响,设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控制器.首先对主动变形四旋翼结构进行设计,使用牛顿欧拉法建立风扰下系统动力学模型,然后分析阵风对系统影响以及动态变形时重心位置、惯性张量等参数的变化,接着将主动变形四旋翼系统解耦成6个SISO系统的组合并设计位姿自抗扰控制器,最后分别利用扩张状态观测器和非线性状态误差反馈律对系统所受扰动进行观测和补偿.仿真结果表明,本文所设计的基于ADRC飞行控制器的主动变形四旋翼具有优秀的位姿控制能力,在飞行过程中可以良好地进行变形,能够有效地观测变形的扰动和紊流风扰,具有较强的稳定性和抗扰性,同时对系统部分动力失效故障有较强的鲁棒性.

关键词：主动变形四旋翼飞行器动力学建模自抗扰控制

主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究

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航空学报 2013年第3期34卷 474-486页

作者：段文博昂海松肖天航南京航空航天大学航空宇航学院江苏南京210016

主动变形扑翼可以模仿鸟翼飞行时的复杂运动。为了了解主动变形扑翼飞行器的气动特性,在研究鸟类骨骼结构和翅膀及尾翼运动规律的基础上,设计并制造了一种基于机器人技术的主动变形扑翼飞行器;给出了主动变形扑翼飞行器的机构运动规律函... 详细信息

主动变形扑翼可以模仿鸟翼飞行时的复杂运动。为了了解主动变形扑翼飞行器的气动特性,在研究鸟类骨骼结构和翅膀及尾翼运动规律的基础上,设计并制造了一种基于机器人技术的主动变形扑翼飞行器;给出了主动变形扑翼飞行器的机构运动规律函数,并设计出机构运动控制系统;在低速风洞中对此飞行器进行了一系列测力试验,研究了主动变形扑翼的升力、推力特性,以及风速、扑动频率、扑动幅度、伸展相位等参数对升力和推力的影响,并与常规扑翼进行了对比分析。试验结果表明,较之常规扑翼,主动变形扑翼可以显著增加升力和增强对不同飞行状态的适应能力。

关键词：主动变形扑翼扑翼飞行器仿鸟运动规律风洞试验气动特性

多段翼型局部主动变形流动控制的非定常数值模拟

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空气动力学学报 2011年第5期29卷 607-612,639页

作者：郭秋亭张来平常兴华赫新中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室四川绵阳621000

对30P30N三段翼型失速攻角附近的分离流动进行了数值模拟研究。为了抑制大攻角时背风区的流动分离,在主翼段上表面引入了行波壁变形模型和抛物型局部主动振动模型,利用作者以往发展的动态混合网格技术和相应的非定常计算方法,对变形过... 详细信息

对30P30N三段翼型失速攻角附近的分离流动进行了数值模拟研究。为了抑制大攻角时背风区的流动分离,在主翼段上表面引入了行波壁变形模型和抛物型局部主动振动模型,利用作者以往发展的动态混合网格技术和相应的非定常计算方法,对变形过程中的非定常分离流动进行了数值模拟,分析了各种变形参数对流动分离的影响。计算结果表明,在适当的条件下,局部主动变形能够抑制翼型背风区的分离,由此可以起到增升减阻的作用,改善翼型的气动性能。

关键词：动态混合网格非定常流主动变形多段翼型流动控制

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机翼中小尺度主动变形研究进展及关键技术

机械工程学报 2021年第2期57卷 121-138页

作者：周文雅张宗宇王晓明吕维梁钱卫大连理工大学航空航天学院大连116024 中山大学航空航天学院广州510006

变形机翼能够根据飞行工况的变化,主动调节自身形状以改善飞行器任务适应性,是未来飞行器设计的研究前沿与热点。阐述国内外机翼中小尺度主动变形技术的研究进展,围绕机翼设计中柔顺变形能力与气动承载能力间冲突,对现阶段变翼型弯度、... 详细信息

变形机翼能够根据飞行工况的变化,主动调节自身形状以改善飞行器任务适应性,是未来飞行器设计的研究前沿与热点。阐述国内外机翼中小尺度主动变形技术的研究进展,围绕机翼设计中柔顺变形能力与气动承载能力间冲突,对现阶段变翼型弯度、变厚度和扭转变形机翼中的机械变形结构设计方案进行重点分析探讨。对变形机翼设计中变形蒙皮、轻质高输出驱动系统、协调变形控制系统设计等关键技术的研究瓶颈及技术方案进行阐述分析,探讨变形机翼未来发展方向,为变形机翼设计与工程应用提供技术参考。

关键词：变形机翼主动变形变翼型弯度变厚度机翼扭转变形蒙皮

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主动变形仿生扑翼飞行器结构优化设计与分析

主动变形仿生扑翼飞行器结构优化设计与分析

作者：张家亮北京交通大学

学位级别：硕士

仿生扑翼飞行器是模仿自然界飞行生物设计的新型飞行器,具有气动性能好,机动性高,隐蔽性好的优点,具有很大的发展空间。传统仿生扑翼飞行器主要对飞行生物的基本飞行性能进行仿生,主动变形仿生扑翼飞行器进一步模仿扑翼飞行生物翅膀可... 详细信息

仿生扑翼飞行器是模仿自然界飞行生物设计的新型飞行器,具有气动性能好,机动性高,隐蔽性好的优点,具有很大的发展空间。传统仿生扑翼飞行器主要对飞行生物的基本飞行性能进行仿生,主动变形仿生扑翼飞行器进一步模仿扑翼飞行生物翅膀可变形的特点,提升了扑翼飞行器的仿生程度和飞行性能,具有很大的研究价值和应用空间。本文从鸟类、蝙蝠的可变形飞行机理出发,进行主动变形仿生扑翼飞行器扑翼系统的结构设计与分析,对机翼运动过程的气动特性进行了仿真分析,并将设计完成的主动变形仿生扑翼飞行器进行加工制造,对实物样机进行了飞行测试。具体研究内容如下:首先,针对鸟类,蝙蝠等尺寸较大的飞行生物有利于飞行的生理结构、飞行机理和翅膀的主动变形过程进行了分析研究,对影响扑翼系统飞行性能的因素进行了分析与总结。其次,从仿生学原理出发,对主动变形仿生扑翼飞行器的扑翼系统进行了结构设计与分析,包括扑翼驱动结构、主动变形机翼和尾翼,进行了扑翼系统各部分结构具体参数设计,设计了六连杆主动变形机翼与八连杆主动变形机翼两种主动变形机翼,对六杆折叠机构与八杆折叠机构进行了数学建模和特性分析,应用ADAMS软件对两种折叠机构进行了运动学分析。再次,采用计算流体力学的方法,对主动变形仿生扑翼飞行器的机翼运动过程进行了气动特性仿真分析,建立了翅翼的不等时扑动运动模型,应用Fluent软件的动网格技术,研究了不同俯仰角度和下扑时间系数对机翼升阻力特性的影响,并对机翼运动流场的速度云图、压力云图进行了分析。最后,对扑翼驱动机构和主动变形机翼等进行整合,设计出了六连杆主动变形仿生扑翼飞行器与八连杆主动变形仿生扑翼飞行器,分别加工制作完成了两种样机,并对实物样机进行了飞行实验。实验表明两种样机具有良好的折叠和扑动性能,其中六连杆主动变形仿生扑翼飞行器能够实现短暂飞行。

关键词：主动变形折叠机构扑翼飞行器气动分析样机制作

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同方学位论文库

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可主动变形波纹蒙皮驱动控制及神经网络建模

兵器材料科学与工程 2012年第1期35卷 25-28页

作者：周春华王帮峰刘曌陈珩牟常伟南京航空航天大学机械结构强度与振动国家重点实验室江苏南京210016 南京航空航天大学自动化学院江苏南京210016 南京科瑞达电子装备有限公司江苏南京211100

为满足变体机翼蒙皮连续光滑以及大变形要求,提出一种可主动变形的波纹型蒙皮构型,并进行驱动试验。试验中使用恒流源控制激励电流强度,在驱动试验数据的基础上建立一个以电流强度为输入参量,驱动位移为输出参量的RBF神经网络模型。该... 详细信息

为满足变体机翼蒙皮连续光滑以及大变形要求,提出一种可主动变形的波纹型蒙皮构型,并进行驱动试验。试验中使用恒流源控制激励电流强度,在驱动试验数据的基础上建立一个以电流强度为输入参量,驱动位移为输出参量的RBF神经网络模型。该模型逼近曲线较为准确和贴近实际驱动特性,最大预测相对误差小于6%。

关键词：主动变形波纹蒙皮结构形状记忆合金增强复合材料人工神经网络

形状记忆合金复合材料薄壁箱形梁的主动变形特性研究

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形状记忆合金复合材料薄壁箱形梁的主动变形特性研究

作者：王晓辉山东科技大学

学位级别：硕士

面对日益膨胀的能源需求,发展新型的可再生能源已经刻不容缓。风能作为一种取之不尽,用之不竭,没有污染的新型能源得到广泛认可。风力机已经在许多国家迅速发展起来。典型的大型风力机叶片多采用薄壁多闭室复合材料结构形式,并且在新型... 详细信息

面对日益膨胀的能源需求,发展新型的可再生能源已经刻不容缓。风能作为一种取之不尽,用之不竭,没有污染的新型能源得到广泛认可。风力机已经在许多国家迅速发展起来。典型的大型风力机叶片多采用薄壁多闭室复合材料结构形式,并且在新型飞行器设计中薄壁箱型结构应用也十分广泛,因此,对复合材料薄壁结构的研究具有非常重要的价值。形状记忆合金材料(SMA)是二十世纪发展起来的智能材料,它在温度和应力作用下会发生马氏体相变而产生回复作用,能够驱动薄壁结构,使之产生变形,改善结构表面的气动性能,进而对结构动力学特性进行控制和调节。本文首先研究了具有耦合作用的复合材料薄壁箱型梁的静变形特征,基于变分渐进法导出梁横截面轴向力、扭矩、弯矩与横截面平均位移和转角之间的本构关系方程,并对CUS和CAS两种特殊铺设形式下的拉伸-扭转耦合和弯曲-扭转耦合进行了数值计算,揭示了具有一般铺层角的薄壁梁的拉伸-扭转-弯曲静变形特性的作用规律。其次,介绍了SMA的本构关系和相变动力学方程,并且根据应力-温度之间的关系,将应力引起的马氏体含量转换成温度形式引入马氏体含量函数关系中,通过线性化处理得出不同温度区间线性形式的相变动力学方程。第三,导出了各向同性弹性薄壁箱型外壁粘贴SMA层的复合材料薄壁结构的主动变形模型,针对横向均布载荷作用下的情况进行了数值计算,研究了在温度激励作用下,SMA层对该类结构的驱动作用,分析了温度和基体层厚度的影响。第四,基于变分渐进法、SMA应力应变关系以及线性相变动力模型,提出了具有拉伸-扭转-弯曲变形耦合的、包含SMA主动纤维驱动作用的复合材料薄壁空心梁的截面内力(矩)与位移(转角)本构方程。讨论了CUS构型和CAS构型,并给出了简化的本构方程。通过数值计算揭示了SMA对拉伸-弯曲-扭转变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量和驱动温度与复合材料铺层角的影响。研究表明,在马氏体向奥氏体转变阶段,空心悬臂梁在SMA纤维驱动下的产生较为显著的静变形响应,而且在不同的铺层角下,SMA纤维的驱动作用是不同的,调节SMA纤维的激励温度、改变SMA纤维的含量和SMA的初始应变,都能明显改善SMA的变形驱动性能。

关键词：复合材料 SMA 薄壁箱型梁主动变形本构关系弹性耦合

基于压电材料的小型飞行器柔性翼主动变形气动特性研究

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同方学位论文库

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基于压电材料的小型飞行器柔性翼主动变形气动特性研究

作者：韩卓北京理工大学

学位级别：硕士

小型飞行器一般适用于工作在城区、山地等复杂地形的空域中。由于其自身尺寸小、雷诺数低的气动特点,这种飞行环境下的突风扰动问题一直是严重制约其发展的关键性技术难题。具有主动变形功能的柔性翼可以通过驱动元件使翼面产生自适应变... 详细信息

小型飞行器一般适用于工作在城区、山地等复杂地形的空域中。由于其自身尺寸小、雷诺数低的气动特点,这种飞行环境下的突风扰动问题一直是严重制约其发展的关键性技术难题。具有主动变形功能的柔性翼可以通过驱动元件使翼面产生自适应变形,从而改善其气动特性,实现抗突风的效果。而传统的舵机操纵面不仅增加了飞机的质量,还破坏了翼面的连续性,影响其气动特性。随着航空航天技术的发展,在驱动柔性翼主动变形方面,智能材料,尤其是压电材料,逐渐取代了传统的舵机驱动方式。压电材料驱动方式的应用很好的解决了翼面连续变形和响应及时性的问题。本文总结了各类常用的智能材料,比较并得出了压电材料在驱动翼面主动变形方面的优势。其中,压电纤维复合材料(MFC)因具有易安装性、频响宽和反应时间短等特点,被选用作柔性翼主动变形的驱动元件。本文首先介绍了突风对小型柔性翼飞行器的影响,并分析了柔性翼抗突风动力学响应特性。在此基础上建立了柔性翼的静气动弹性模型,利用柔性翼结构/气动迭代优化程序AeroBeamSaw计算了相关气动参数,根据静气弹迭代程序的仿真结果验证了主动变形改善柔性翼气动特性的可行性。然后,本文对压电材料的力学特性进行了分析,得到了压电材料的驱动方程。并针对压电复合柔性翼结构,得出机翼扭转角与压电材料驱动电压之间的关系。最后,本文搭建了基于压电材料的小型飞行器柔性翼主动变形实验平台,从直观的角度定性的验证了压电材料实现柔性翼主动变形的可行性。

关键词：柔性翼小型飞行器压电材料主动变形突风扰动静气动弹性

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主动折叠变形扑翼飞行器的设计与分析

主动折叠变形扑翼飞行器的设计与分析

作者：武斌北京交通大学

学位级别：硕士

仿生扑翼飞行器由于其同时具有起飞、加速、悬停等各种功能,并且机动性能良好、飞行效率高,因此是目前最具发展前景的飞行器。目前,国内所研制的扑翼飞行器机翼主要分为两种:一种为两段式机翼;另一种为平直翼。但是这两种机翼在沿着翼... 详细信息

仿生扑翼飞行器由于其同时具有起飞、加速、悬停等各种功能,并且机动性能良好、飞行效率高,因此是目前最具发展前景的飞行器。目前,国内所研制的扑翼飞行器机翼主要分为两种:一种为两段式机翼;另一种为平直翼。但是这两种机翼在沿着翼面方向上都是不可折叠变形的,故有容易损坏、不易携带、灵活性差等缺点。因此,研究鸟类翅膀变形结构及其骨骼运动机理并将之应用于扑翼飞行器机翼设计当中对于扑翼飞行器未来的广泛应用将具有极其重要的意义。本论文主要以大中型鸟类为仿生对象,分别设计、研制了三种机翼可主动折叠变形的扑翼飞行器并对其进行了仿真分析研究和实验。具体研究内容如下:首先,从仿生学角度,在对鸟类翅膀结构及其骨骼系统的运动机理进行剖析的基础上,分别设计了单关节可折叠机构和多关节可折叠机构并应用矢量法对机构进行运动学及力学分析以建立各参数之间的关系。然后根据鸟类尺度律公式初步确定各仿生参数,在此基础上对两种可折叠机构进行参数设计。最后在SolidWorks中建立折叠机构的三维模型,再通过ADAMS对多关节可折叠机构进行折叠运动的仿真分析。结果表明:多关节折叠机构具有良好的折叠运动性能。其次,通过分析鸟类飞行机理及规律,在可折叠机构设计基础之上,分别设计了单关节主动折叠变形扑翼飞行器、单段式多关节主动折叠变形扑翼飞行器和两段式多关节主动折叠变形扑翼飞行器并绘制其三维模型。然后通过ADAMS对三种主动折叠变形扑翼飞行器在扑动运动情况下进行运动学和力学分析以验证其运动可行性并为样机制造提供指导。结果表明:三种主动折叠变形扑翼飞行器的扑动性能优良且两段式主动折叠变形扑翼飞行器的内外翼运动符合设计目标。第三,对飞行器机翼的气动特性进行数值模拟研究。基于流体力学和计算流体力学的理论,在FLUENT中运用动网格方法分别选择机翼在不同变形程度下的周围的压力场和速度场进行数值模拟并生成升力与阻力特性曲线。结果表明:在机翼变形程度较大的情况下飞行器拥有更大的升力,因此在选用机翼翅脉时应使其具有足够的柔性变形能力。根据上述的分析和设计,确定扑翼飞行器各零部件材料选型以及加工工艺初步制作样机,并对样机进行试验,实验表明样机实现了设计目标,并通过了不同的实验方法和仿真分析对样机的主要性能值进行了测定。

关键词：主动变形折叠机构扑翼飞行器仿真分析样机制作