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基于能耗优化的四旋翼无人机航迹规划:分段式高斯伪谱法

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电光与控制 2025年第1期32卷 1-7页

作者：欧阳权徐罗旻杨继阳薛雅丽丛玉华吕建威南京航空航天大学自动化学院南京210000 北京控制与电子技术研究所北京100000

在四旋翼无人机航迹规划中引入能耗优化策略以延长其飞行时间,能够显著提升其实用性和经济性。为此,提出了一种基于分段式高斯伪谱法的能耗最优航迹规划算法。首先,构建了四旋翼无人机运动学-能耗综合模型,能定量描述无人机运动学及能... 详细信息

在四旋翼无人机航迹规划中引入能耗优化策略以延长其飞行时间,能够显著提升其实用性和经济性。为此,提出了一种基于分段式高斯伪谱法的能耗最优航迹规划算法。首先,构建了四旋翼无人机运动学-能耗综合模型,能定量描述无人机运动学及能耗间耦合关系;其次,基于此模型,将考虑能耗优化的航迹规划问题转化为带约束的连续时间优化问题;最后,设计了分段式高斯伪谱法求解出优化航迹,其中通过滑动选取优化子区间的方法,在航点数量较多的复杂飞行任务中有效缩短了计算时间,同时提升了轨迹的平滑性和航点跟踪准确性。仿真和实验结果表明,与传统定航点飞行相比,所提算法能大幅降低飞行能耗,与常用优化算法相比,所提算法在保证能耗优化效果的同时,所需计算时间更短,航点跟踪精度更高。

关键词：四旋翼无人机能耗优化航迹规划分段式高斯伪谱法

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双面约束多点摩擦多体系统的建模和数值方法

力学学报 2009年第1期41卷 105-112页

作者：彭慧莲王士敏王琪郭易圆北京航空航天大学动力学与控制研究室北京100191

提出了一种建立具有固定双面约束多点摩擦的多体系统动力学方程的方法.用笛卡尔坐标阵描述系统的位形,根据局部方法的递推关系建立系统的约束方程,应用第一类Lagrange方程建立该系统的动力学方程,使得具有摩擦的约束面的法向力与Lagrang... 详细信息

提出了一种建立具有固定双面约束多点摩擦的多体系统动力学方程的方法.用笛卡尔坐标阵描述系统的位形,根据局部方法的递推关系建立系统的约束方程,应用第一类Lagrange方程建立该系统的动力学方程,使得具有摩擦的约束面的法向力与Lagrange乘子一一对应,便于摩擦力的分析与计算,并用矩阵形式给出了摩擦力的广义力的一般表达式.应用增广法将微分-代数方程组转化为常微分方程组,并用分块矩阵的形式给出,以便于方程的编程与计算.给出了一种改进的试算法,可提高计算效率.最后给出了一个算例,应用试算法和RK法对算例进行了数值仿真.

关键词：多体系统双面约束建模方法干摩擦 Lagrange乘子

生物材料促进角膜碱烧伤修复的作用机制和应用途径

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中国组织工程研究 2025年第10期29卷 2162-2170页

作者：肖辉李冬妍汲婧王丽珍北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室北京市生物医学工程高精尖创新中心北京市100083

背景:在角膜碱烧伤治疗中,传统治疗方法存在多种局限,尤其在控制炎症、预防新生血管形成和抑制角膜瘢痕化方面表现不佳。天然材料、合成材料或复合材料为治疗提供了多元化的选择,然而生物材料促进角膜碱烧伤修复的相关机制尚未形成系统... 详细信息

背景:在角膜碱烧伤治疗中,传统治疗方法存在多种局限,尤其在控制炎症、预防新生血管形成和抑制角膜瘢痕化方面表现不佳。天然材料、合成材料或复合材料为治疗提供了多元化的选择,然而生物材料促进角膜碱烧伤修复的相关机制尚未形成系统深入的认识。目的:对目前生物材料促进角膜碱烧伤修复的国内外研究进行梳理,综述生物材料修复角膜碱烧伤的机制及其应用途径。方法:第一作者以“角膜,碱烧伤,羊膜,透明质酸,胶原,壳聚糖,高分子材料”“Amniotic membrane,Hyaluronic acid,Collagen,Chitosan,Polymer,Cornea,Alkali burn”为关键词在Pub Med、Web of Science、中国知网和万方文献数据库内检索,根据纳入标准和排除标准,最终纳入符合要求的76篇文献进行综述。结果与结论:(1)在角膜碱烧伤修复领域,羊膜、透明质酸、胶原、壳聚糖和可降解高分子材料等生物材料被广泛研究和应用,这些生物材料各有其特点和优缺点,在不同方面都有所突出。(2)首先,羊膜因含丰富的生物活性因子而被认为是最有前景的生物材料之一,其生物相容性良好,并且能够调节角膜炎症反应,但是存在供体短缺和易感染疾病的问题。(3)透明质酸具有良好的保湿性和生物相容性,并且能够提高角膜细胞的生存率和增加角膜透明度。(4)胶原具有良好的生物相容性和支架结构,能够促进角膜细胞的黏附和增殖,促进角膜组织结构的重建。(5)壳聚糖具有良好的生物相容性和可降解性,可作为载体用于药物递送和细胞移植。(6)可降解高分子材料具有较好的降解可控性,可为角膜碱烧伤的修复提供良好的支持和递送平台,但其稳定性和生物相容性仍需进一步研究。(7)综合来看,目前还没有一种生物材料能够完全解决角膜碱烧伤的修复问题,每种生物材料都有其特定的适用场景和局限性。(8)未来的研究方向应该是通过进一步改进生物材料的性能和结构,探索更有效的组合应用方式,以及深入了解生物材料与角膜组织的相互作用机制,以提高角膜碱烧伤的治疗效果和患者的生活质量。

关键词：角膜碱烧伤生物材料修复机制羊膜透明质酸壳聚糖高分子材料综述

含摩擦滑移铰平面多刚体动力学的HLCP方法

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力学学报 2010年第5期42卷 943-950页

作者：彭慧莲王琪庄方方北京航空航天大学动力学与控制系北京100191

给出了一种基于水平线性互补问题(HLCP)的双边约束滑移铰含摩擦平面多刚体系统动力学的数值计算方法.首先从系统的约束方程出发建立了每个双边约束中两个约束面的法向约束力的互补关系;并利用摩擦余量的概念给出了库仑摩擦定律的互补表... 详细信息

给出了一种基于水平线性互补问题(HLCP)的双边约束滑移铰含摩擦平面多刚体系统动力学的数值计算方法.首先从系统的约束方程出发建立了每个双边约束中两个约束面的法向约束力的互补关系;并利用摩擦余量的概念给出了库仑摩擦定律的互补表达式.然后针对事件驱动算法将该类非光滑多体系统动力学方程中双边约束中法向约束力切换和系统"stick-slip"运动状态切换的判断统一成HLCP的求解,通过定义一组变维数矩阵给出了HLCP形式的一般表达式,便于编程计算.最后通过一个两自由度多体系统的算例验证了该方法的有效性.

关键词：多体系统双面约束库仑摩擦滑移铰水平线性互补问题

含摩擦柱铰链平面多体系统动力学的建模和数值方法

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工程力学 2012年第5期29卷 193-199页

作者：庄方方王琪北京航空航天大学动力学与控制系北京100191

以含摩擦柱铰链平面多体系统为研究对象,建立其动力学方程并给出相应的数值计算方法。首先,建立了含摩擦转动柱铰链的力学模型。在此基础上,应用第一类Lagrange方程给出了该类系统的动力学方程,将Lagrange乘子与柱铰链的法向约束力建立... 详细信息

以含摩擦柱铰链平面多体系统为研究对象,建立其动力学方程并给出相应的数值计算方法。首先,建立了含摩擦转动柱铰链的力学模型。在此基础上,应用第一类Lagrange方程给出了该类系统的动力学方程,将Lagrange乘子与柱铰链的法向约束力建立了对应关系,并给出了柱铰链摩擦力的广义力。由于摩擦力的存在,使得该方程是关于Lagrange乘子的分段连续的非线性代数方程组,该文对此采用混合算法:对于连续段(物体相对转动的角速度不为零时),采用拟牛顿算法和龙格-库塔法求解方程;在不连续点(物体相对转动的角速度为零时),通过粒子群算法(PSO)、试算法和龙格-库塔法求解方程,克服了方程在不连续处Lagrange乘子(法向约束力)的初值不易选取的困难。最后,通过算例说明了该算法的有效性和可行性。

关键词：多体系统转动铰链 Lagrange乘子摩擦粒子群算法

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多关节人体上肢运动的优化轨迹预测

力学学报 2010年第3期42卷 506-511页

作者：孙鹏伟王士敏王琪房杰北京航空航天大学动力学与控制系北京100191

研究了手端无约束条件下,多关节人体上肢点到点运动优化轨迹的预测.首先建立了多关节上肢平面运动的动力学模型,根据最小功准则提出优化目标函数,将上肢点到点运动的优化轨迹求解问题转化为两点边值问题,设计了寻优的迭代算法,求得了上... 详细信息

研究了手端无约束条件下,多关节人体上肢点到点运动优化轨迹的预测.首先建立了多关节上肢平面运动的动力学模型,根据最小功准则提出优化目标函数,将上肢点到点运动的优化轨迹求解问题转化为两点边值问题,设计了寻优的迭代算法,求得了上肢运动的优化轨迹与相应的速度变化曲线.仿真结果表明:平衡点位置或关节力矩平滑地变化,避免了肢体出现急加速-急减速的运动形式,减少了肢体运动时的能量消耗;手端的运动轨迹为近似直线,速度为单峰的钟形曲线,这与上肢优化运动的特征相吻合,也表明最小功准则可以有效预测多关节上肢运动的优化轨迹.

关键词：多关节上肢上肢运动运动规划优化轨迹最小功准则

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折流燃烧室燃烧流场大涡模拟

推进技术 2023年第1期44卷 158-168页

作者：赵祎宇段争梁蔡文哲张腾颜应文南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016 北京航空航天大学能源与动力学院北京100191

为深入了解航空发动机折流燃烧室内部复杂流场结构,对一种带有离心甩油盘的单头部环形折流燃烧室冷热态流场进行大涡模拟。数值计算模拟了从启动状态到稳定燃烧状态的完整非稳态过程,获得了该燃烧室流量分配、压力损失等参数以及冷热态... 详细信息

为深入了解航空发动机折流燃烧室内部复杂流场结构,对一种带有离心甩油盘的单头部环形折流燃烧室冷热态流场进行大涡模拟。数值计算模拟了从启动状态到稳定燃烧状态的完整非稳态过程,获得了该燃烧室流量分配、压力损失等参数以及冷热态流场结构。数值计算结果表明:(1)冷热态下燃烧区流场结构分为主回流区和次回流区两部分,主回流区冷态时呈现多涡结构,热态时回流区形状受燃油射流影响呈现对称的双涡结构;(2)燃烧室中各涡团结构由各进气孔射流相互作用形成,涡团结构促进燃烧室内部的能量和质量交换;(3)热态时燃烧室前后涡流板周围存在两个稳定的点火源。

关键词：折流燃烧室大涡模拟流场多涡结构稳定点火源

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CE/SE法模拟爆震波点火及传播过程

航空动力学报 2008年第2期23卷 244-250页

作者：孙孔倩樊未军杨茂林北京航空航天大学能源与动力学院北京100083

运用时空守恒元和解元(CE/SE)法模拟一维爆震波的形成及传播过程,分析产生爆震波的不同机理和DDT(爆燃-爆震转捩)过程的影响因素.采取激波点火和热点点火两种点火方式,分别对应SDT(激波-爆震转捩)和DDT过程,热点点火初始场采用线性温度... 详细信息

运用时空守恒元和解元(CE/SE)法模拟一维爆震波的形成及传播过程,分析产生爆震波的不同机理和DDT(爆燃-爆震转捩)过程的影响因素.采取激波点火和热点点火两种点火方式,分别对应SDT(激波-爆震转捩)和DDT过程,热点点火初始场采用线性温度分布和阶梯性温度分布,整个管道均为常压.用隐式梯形方法实现刚性源项积分.结果表明,SDT和DDT对应于不同的爆震波机理,并且DDT受点火区不同参数的影响,为研究爆震波点火和DDT过程提供了理论依据.

关键词：航空、航天推进系统时空守恒元和解元方法(CE/SE) 爆震波点火爆燃-爆震转捩(DDT) 激波-爆震转捩(SDT)

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流体控制矢量喷管启动过程的瞬态响应

航空动力学报 2012年第10期27卷 2364-2370页

作者：王猛杰额日其太王强北京航空航天大学能源与动力学院北京100191

采用三维非定常数值模拟方法对流体矢量喷管启动的瞬态响应过程进行了研究,给出了流场的演化特性及性能参数的响应时间.根据不同时刻的流场和壁面压力分布,分析后得到了注气附近射流扰动波系及漩涡的演化过程,并与上壁面压力分布相互印... 详细信息

采用三维非定常数值模拟方法对流体矢量喷管启动的瞬态响应过程进行了研究,给出了流场的演化特性及性能参数的响应时间.根据不同时刻的流场和壁面压力分布,分析后得到了注气附近射流扰动波系及漩涡的演化过程,并与上壁面压力分布相互印证.由性能参数(包括流量,推力系数,矢量角)的时间响应曲线发现:流量和推力系数在响应初始阶段存在剧烈波动,而矢量角是平稳变化,三者的响应时间在毫秒量级.

关键词：流体推力矢量喷管瞬态响应数值模拟激波