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小型涵道飞行器悬停状态动力学建模研究

北京理工大学学报 2012年第3期32卷 231-234,273页

作者：王正平李陈北京理工大学宇航学院北京100081 北京理工大学机电学院北京100081

针对小型涵道飞行器介于直升机和固定翼飞机之间独特的结构特点和控制特性,对小型涵道飞行器在悬停状态下的动力学进行分析,结合刚体动力学和空气动力学对飞行器所受力和力矩进行推导,并建立动力学模型.同时对模型零动态的渐近属性进行... 详细信息

针对小型涵道飞行器介于直升机和固定翼飞机之间独特的结构特点和控制特性,对小型涵道飞行器在悬停状态下的动力学进行分析,结合刚体动力学和空气动力学对飞行器所受力和力矩进行推导,并建立动力学模型.同时对模型零动态的渐近属性进行研究,得出飞行器物理参数与内动态稳定性的关系,分析结果表明,系统零动态的指数不稳定性不仅受到控制舵压心到飞行器质心距离的影响,同时也和螺旋桨的陀螺惯量有关.

关键词：涵道飞行器悬停动力学零动态内动态稳定性

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涵道飞行器涵道本体气动特性研究

弹箭与制导学报 2009年第4期29卷 174-178页

作者：徐嘉范宁军赵澍北京理工大学宇航科学技术学院。北京100081 中国航天科工集团第二研究院总装调部北京100854

涵道本体气动特性直接影响着涵道飞行器的动力性能。文中对影响涵道气动特性的结构参数进行了量化,并使用自适应笛卡尔网格对仿真模型进行了网格划分以提高解算的速度和精度,随后采用Jameson有限体积法对具有不同结构参数的涵道模型进... 详细信息

涵道本体气动特性直接影响着涵道飞行器的动力性能。文中对影响涵道气动特性的结构参数进行了量化,并使用自适应笛卡尔网格对仿真模型进行了网格划分以提高解算的速度和精度,随后采用Jameson有限体积法对具有不同结构参数的涵道模型进行了仿真研究,通过对仿真结果进行对比分析,得到了涵道本体结构参数与涵道飞行器升力特性间的对应关系。

关键词：涵道飞行器结构参数气动特性数值仿真

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马格努斯涵道飞行器动力学分析及控制仿真

马格努斯涵道飞行器动力学分析及控制仿真

作者：吴文凯哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

无人机是能够实现战略侦察、火力打击、通信中继、电子压制等军事任务的作战平台，已经成为现代战争中不可或缺的军事装备。由于对现代战场的复杂环境适应性的需要，无人机的小型化、低成本化、智能化等方面成为其主要发展方向。涵道飞... 详细信息

无人机是能够实现战略侦察、火力打击、通信中继、电子压制等军事任务的作战平台，已经成为现代战争中不可或缺的军事装备。由于对现代战场的复杂环境适应性的需要，无人机的小型化、低成本化、智能化等方面成为其主要发展方向。涵道飞行器作为近年来新兴的无人机类型，以其垂直起降、机动灵活等优势引起很多研究者的关注，使其成为无人机领域新兴的研究方向。由于涵道无人机的低雷诺数、机体结构的非典型性以及较大的攻角范围，使得其空气动力效应是非线性的，其数学模型的建立比较困难，是目前涵道飞行器研究中的难点之一。基于马格努斯效应的涵道飞行器采用空芯轮构成的控制装置作为飞行器的舵机装置，避免相较传统舵机控制的涵道飞行器工作范围窄和严重非线性饱和问题，因此，理论上可以改善控制复杂性。本文针对基于马格努斯效应的涵道飞行器的控制舵侧向力与其转速成线性关系的特点，对其动力学模型，控制器设计以及仿真展开研究。首先，分析了基于马格努斯效应的涵道飞行器的结构。根据自由刚体运动学建立了含有空芯轮与螺旋桨自由度的飞行器运动模型。由于飞行器运动模型具有11个自由度，难以通过经典的牛顿-欧拉法建立动力学方程，采用拉格朗日方法给出了飞行器的非线性动力学方程。在此基础上，分析了涵道飞行器的具有复杂耦合的11-DOF非线性动力学模型。基于小扰动原理给出了飞行器解耦的线性化动力学模型。根据建立的线性化模型，提出了解耦控制策略，设计了基于分级控制策略的飞行控制器。采用MATLAB建立了飞行器完整的非线性动力学模型数字仿真，分析了空芯轮结构参数对于飞行器控制的稳定性与鲁棒性的影响，验证了提出的线性化解耦动力模型与相应控制方法的可行性。

关键词：涵道飞行器马格努斯效应姿态控制解耦控制

基于姿态引导和扰动辨识的涵道飞行器智能控制

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基于姿态引导和扰动辨识的涵道飞行器智能控制

作者：郑义哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

涵道飞行器特殊的气动布局使得它具有机动性强、推进效率高等优点，特别适合用于高空侦查、监视等对悬停效率要求高的场合。但是，考虑到涵道飞行器所处的工作环境经常会受到侧风等外界空气扰动的影响，而且这些扰动是不确定的、时变的... 详细信息

涵道飞行器特殊的气动布局使得它具有机动性强、推进效率高等优点，特别适合用于高空侦查、监视等对悬停效率要求高的场合。但是，考虑到涵道飞行器所处的工作环境经常会受到侧风等外界空气扰动的影响，而且这些扰动是不确定的、时变的，这就要求涵道飞行器的控制系统有很好的鲁棒性。本文针对上述问题，以悬停和轨迹跟踪为目标，建立涵道飞行器的经典控制体系和智能控制方法，对外界扰动的辨识问题进行了探索。首先，建立涵道飞行器的数学模型。通过对涵道飞行器各个组成部分的介绍，讲述了其垂直起降和姿态调整的工作原理;考虑螺旋桨和控制舵的动力学特性，对涵道飞行器进行整体动力学建模，将整个系统抽象为11个自由度的多输入多输出系统;使用卡尔丹角描述其飞行姿态，在运动分析中引入坐标变换矩阵;通过拉格朗日函数建立系统的动力学方程，并结合空气动力学的相关知识定义涵道飞行器受到的外界作用力。其次，设计基于虚拟力导向的分层控制体系。根据系统需求设计伪控制输入，构成分层控制体系的顶层;从系统的动力学方程出发，定义参考反馈指令，再结合动力学解耦算法，将控制信息分解为各个舢板和螺旋桨的动作命令;处于分层控制体系底层的是控制舵和螺旋桨的控制规律。结合涵道飞行器的悬停目标，设计了基于计算力矩法的伪控制输入。然后，设计基于姿态导向和扰动辨识的轨迹跟踪控制方法。通过对涵道飞行器平动动力学方程的分析，得出姿态运动是水平横向和纵向飞行的虚拟输入;据此设计姿态角度命令生成器，可以解除平动和姿态运动之间的耦合;将外界空气扰动和模型的不确定性统一考虑为系统函数，并假设系统函数是由容易辨识的低频分量和高频分量组成，同时根据轨迹跟踪的要求设计系统函数的更新规律。此外，从控制系统的鲁棒性出发，对传统的控制体系和智能控制方法进行了对比分析。最后，使用MATLAB和Adams对以上两种控制方法进行联合仿真，在仿真过程中强调了系统参数选择的重要性。仿真结果与之前的理论分析相吻合，基于虚拟力的传统控制方法缺少对外界扰动的估计，抗干扰性和鲁棒性不如基于扰动辨识的智能控制方法。

关键词：涵道飞行器分层控制体系扰动辨识轨迹跟踪联合仿真

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基于LBM理论的涵道飞行器CFD分析

长春工程学院学报（自然科学版） 2019年第4期20卷 24-28页

作者：李明达刘国松刘亮钟月曦长春工程学院长春130012 长春理工大学长春130022

针对涵道飞行器流体力学复杂、CFD分析中动网格质量难以保证等问题,采用基于LBM方法、空间粒子具有自适应性的商用流体动力学软件XFlow,建立了具有复杂几何结构的风机扇叶、涵道飞行器模型以及该模型所在的虚拟飞行环境,根据风机扇叶上... 详细信息

针对涵道飞行器流体力学复杂、CFD分析中动网格质量难以保证等问题,采用基于LBM方法、空间粒子具有自适应性的商用流体动力学软件XFlow,建立了具有复杂几何结构的风机扇叶、涵道飞行器模型以及该模型所在的虚拟飞行环境,根据风机扇叶上、下外表面速度场分布确定有效的时间步长,在该时间步长下进行了无涵道单风扇和涵道飞行两种工况的CFD分析,包括对喷射气流的速度等值面分布、中心截面区域的速度场分布、多尺度粒子团的截面分布等进行了分析,仿真结果表明:在基于LBM的CFD仿真中,应合理设置时间步长,以保持仿真计算量与仿真准确度的平衡;涵道风扇外边缘可产生高达90m/s的气体流速;与采用相同尺寸扇叶的旋翼飞行器相比,涵道飞行器可提供其2.24倍的推进力。

关键词：涵道飞行器 CFD LBM

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某旋翼飞行器涵道桨叶设计研究

某旋翼飞行器涵道桨叶设计研究

作者：冯旭碧南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来,单人飞行器和飞行汽车等成为国内外军用和民用领域研究的热点,出现了多种构型的单人飞行器,但这些单人飞行器具有体积大,控制难,成本高等缺点。而以涵道旋翼/风扇为升力/推力系统的飞行器,具有气动效率高,旋翼噪音低、安全性高... 详细信息

近年来,单人飞行器和飞行汽车等成为国内外军用和民用领域研究的热点,出现了多种构型的单人飞行器,但这些单人飞行器具有体积大,控制难,成本高等缺点。而以涵道旋翼/风扇为升力/推力系统的飞行器,具有气动效率高,旋翼噪音低、安全性高及结构紧凑等特点,并且能够实现垂直起降和良好的悬停性能。因此,本文参考国内外飞行器的几种构型,对比各种方案的优缺点,根据技术要求设计了一种新型的电动单人涵道飞行器,完成飞行器的总体布局,并在此基础上重点进行旋翼桨叶的气动外形和动力学设计。首先,运用本文建立的数值模拟方法,对比分析了涵道单/双旋翼和孤立单/双旋翼的气动特性和流场特性,并对有涵道作用下的旋翼桨叶的气动外形进行关键设计参数影响分析,着重计算和对比了设计参数对涵道旋翼悬停状态气动性能的影响。其次,根据上述升力系统气动性能的分析结果,确定升力系统的形式和布局方案,完成新型涵道飞行器总体参数的初步选择和总体布局设计。在总体布局的基础上,采用动量-叶素理论完成了涵道旋翼系统的气动外形的初步参数选择。接着,基于CATIA参数化建模、CFD气动力计算模型及优化算法,通过代理模型建立了桨叶气动外形优化集成平台,并在桨叶优化结果的基础上,通过CST翼型参数化方法完成了桨叶翼型的优化设计。最后,在桨叶气动外形确定的基础上,依次完成对复合材料桨叶的剖面构型设计、剖面特性计算、动力学特性分析及强度校核等方面工作。

关键词：涵道飞行器总体设计参数化桨叶优化设计动力学设计

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涵道尾撑式短距起降飞行器

中国科技信息 2017年第23期 24-30页

作者：范宇煊李想张柏翕北京市第三十五中学

随着科技的进步和城市的发展,无人机的使用越来越广泛,适应各种空中环境和起降环境的无人机成了无人机发展的方向。本文在参考国内外涵道风扇类飞行器气动布局的基础上,设计了一种涵道与前拉复合式飞行器。该构型相比常规构型涵道飞行... 详细信息

随着科技的进步和城市的发展,无人机的使用越来越广泛,适应各种空中环境和起降环境的无人机成了无人机发展的方向。本文在参考国内外涵道风扇类飞行器气动布局的基础上,设计了一种涵道与前拉复合式飞行器。该构型相比常规构型涵道飞行器具有较大的飞行速度,同时由于涵道的增升作用,使其短距起降性能也相对较好。

关键词：短距起降垂直起降涵道飞行器倾转旋翼无人机

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涵道共轴多旋翼飞行器建模与飞行控制研究

涵道共轴多旋翼飞行器建模与飞行控制研究