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车载GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合导航方法

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测绘学报 2024年第3期53卷 425-434页

作者：穆梦雪赵龙北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学数字导航中心北京100191 北京航空航天大学飞行器控制科学与技术实验室北京100191

为提升复杂环境下低成本车载导航系统的容错性能,本文研究了基于次优增益融合(SGF)算法的GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法。该方法首先根据阿克曼转向几何建立了四轮里程计测速补偿模型,提升了惯性测量单元(IMU)安装中心处的前向和... 详细信息

为提升复杂环境下低成本车载导航系统的容错性能,本文研究了基于次优增益融合(SGF)算法的GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法。该方法首先根据阿克曼转向几何建立了四轮里程计测速补偿模型,提升了惯性测量单元(IMU)安装中心处的前向和侧向测速精度;然后设计了基于卡方检验统计量的故障检测与分类准则,充分利用了可获取的观测信息;最后构建了随机模型和信息分配因子(ISF)弹性优化模型,分别从传感器层和决策层减少了异常观测的影响,实现了车载多源信息的弹性融合。通过实际跑车数据对GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法进行测试验证。试验结果表明,本文方法能有效减少子系统故障对全局状态估计的影响,提升复杂环境下系统的容错性能。此外,与经典的联邦卡尔曼滤波(FKF)算法相比,SGF算法全局融合精度损失有限,计算效率却显著提升,有利于多源信息弹性融合的实际工程应用。

关键词：多源信息弹性融合 GNSS/SINS/里程计融合里程计测速补偿模型次优增益融合分布式滤波

一种Birkhoff形式下结构动响应问题的保辛中点格式

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计算力学学报 2024年第1期41卷 124-128页

作者：邱志平邱宇北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 北京航空航天大学沈元学院北京100191

结构动响应预测是结构设计的基础,是结构振动控制、载荷识别的前提。本文在辛体系下针对结构动响应问题,提出了一种Birkhoff形式下的保辛中点格式。首先引入状态变量,并基于摄动方法将结构动响应方程转化为线性自治Birkhoff方程的形式,... 详细信息

结构动响应预测是结构设计的基础,是结构振动控制、载荷识别的前提。本文在辛体系下针对结构动响应问题,提出了一种Birkhoff形式下的保辛中点格式。首先引入状态变量,并基于摄动方法将结构动响应方程转化为线性自治Birkhoff方程的形式,进一步利用中心差分推导出线性自治Birkhoff方程的中点格式,其证明是保辛的。该格式不要求Birkhoff方程系数矩阵非奇异,因此适用于奇数维系统。两个不同数值算例的结果充分验证了本文方法的卓越性,也凸显了相对于传统算法在计算精确度和稳定性方面的明显优势。

关键词：结构动响应问题 Birkhoff方程中点格式保辛算法摄动法

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基于不稳定性理论的离心喷嘴液雾SMD半理论预测

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航空动力学报 2024年第9期39卷 245-255页

作者：高昭刘玉英张权黄勇王东辉北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

基于液膜雾化的不稳定性理论,同时考虑离心喷嘴锥形液膜气液相互作用过程中开尔文-亥姆霍兹(K-H)不稳定性和瑞利-泰勒(R-T)不稳定性对液膜破碎的影响,建立了离心喷嘴液雾索太尔平均直径(SMD)半理论预测模型,并在燃油温度240~300 K、燃... 详细信息

基于液膜雾化的不稳定性理论,同时考虑离心喷嘴锥形液膜气液相互作用过程中开尔文-亥姆霍兹(K-H)不稳定性和瑞利-泰勒(R-T)不稳定性对液膜破碎的影响,建立了离心喷嘴液雾索太尔平均直径(SMD)半理论预测模型,并在燃油温度240~300 K、燃油压力0.5~3 MPa条件下开展了离心喷嘴燃油雾化全息试验和激光多普勒粒子分析仪(PDPA)测试验证试验。研究表明:液膜表面同时存在流向波和周向波,燃油压力和燃油温度的降低,均会抑制液膜表面不稳定性的发展,使得液雾SMD增大,且相较于K-H不稳定性,燃油压力变化对R-T不稳定性的影响更为显著;模型可实现对变物性、结构和工况离心喷嘴液雾SMD的良好预测,最大预测误差在±15%左右,对离心喷嘴的雾化性能预测和结构优化设计具有一定的工程应用价值。

关键词：离心喷嘴锥形液膜不稳定性理论索太尔平均直径预测模型

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基于路径和算法的飞行器集群分布式相对定位

航空学报 2024年第4期45卷 213-227页

作者：赖玮清万九卿北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

根据飞行器集群中各节点的惯性测量以及节点间数据链给出的相对距离测量,利用集中式卡尔曼滤波可以实现集群节点间的相对定位,包括相对位置和相对姿态的估计。集中式算法将集群内全部数据汇聚到中心节点集中处理,系统的可扩展性和可靠... 详细信息

根据飞行器集群中各节点的惯性测量以及节点间数据链给出的相对距离测量,利用集中式卡尔曼滤波可以实现集群节点间的相对定位,包括相对位置和相对姿态的估计。集中式算法将集群内全部数据汇聚到中心节点集中处理,系统的可扩展性和可靠性受到制约。以信念传播为代表的分布式相对定位算法,通过集群各节点对局部信息的处理以及相邻结点间的信息交互,可实现节点间相对位置和相对姿态的全局估计。然而,在集群相对定位问题中,数据链拓扑包含大量环状结构,此时信念传播算法存在收敛性问题。本文提出一种集群相对定位分布式精确推理方法,可适用于任意集群拓扑结构。分别在高斯标准型和规范型描述下,设计集群各节点误差状态的分布式时间更新和量测更新算法,基于路径和原理给出标准型和规范型参数的分布式转换算法。在线性高斯模型假设下,本文方法等价于集中式卡尔曼滤波,可实现相对定位的最优估计。设计基于集群分解的分布式近似推理算法,进一步提升算法运行速度。在六自由度长航时仿真数据上的计算结果表明,基于路径和的分布式近似推理的相对定位精度与集中式卡尔曼滤波接近,明显优于现有的分布式高斯信念传播算法。

关键词：分布式推理相对定位信念传播路径和导航系统

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空间机器人预设性能约束下的鲁棒跟踪控制

控制理论与应用 2024年第7期41卷 1246-1254页

作者：龚凯贾英民北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

本文针对不确定空间机器人预设性能约束下的鲁棒跟踪控制问题,结合一种具有指定时间收敛性质的预设性能函数,利用双向无约束映射将空间机器人的跟踪问题转化为映射误差的有界性控制问题.进一步,基于降阶方法设计了参考加速度,通过神经... 详细信息

本文针对不确定空间机器人预设性能约束下的鲁棒跟踪控制问题,结合一种具有指定时间收敛性质的预设性能函数,利用双向无约束映射将空间机器人的跟踪问题转化为映射误差的有界性控制问题.进一步,基于降阶方法设计了参考加速度,通过神经网络补偿系统的不确定性,实现了对时变期望轨迹的鲁棒跟踪,保证了映射误差始终有界且跟踪误差满足指定时间收敛的预设性能指标,数值仿真结果验证了所提方法的有效性.

关键词：空间应用不确定系统预设性能鲁棒跟踪

收缩扩张型混合管结构参数对圆排波瓣引射器性能影响

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航空动力学报 2024年第6期39卷 178-185页

作者：肖长庚刘友宏张寒淳杰黄宇北京航空航天大学能源与动力工程学院北京102206

目前收缩扩张型混合管结构参数对于圆排波瓣引射器影响的相关研究少,为此首先进行了带有不同结构参数收缩扩张型混合管的圆排波瓣喷管和圆形喷管引射器缩比模型引射性能的实验研究。结果表明,当混合管喉道直径和长度较小且主流质量流量... 详细信息

目前收缩扩张型混合管结构参数对于圆排波瓣引射器影响的相关研究少,为此首先进行了带有不同结构参数收缩扩张型混合管的圆排波瓣喷管和圆形喷管引射器缩比模型引射性能的实验研究。结果表明,当混合管喉道直径和长度较小且主流质量流量较低时,圆形喷管的引射性能高于波瓣喷管,但随着质量流量增加情况发生逆转;当喉道直径和长度较大时,在实验质量流量范围内和满足主流附壁条件下,波瓣喷管引射性能均高于圆形喷管;随着主流质量流量增大,引射质量流量比存在一个极大值,并且随着喉道直径和长度增大,该极大值也逐渐增大,在所研究模型中极大值的最大增长率为58.5%。接着,本文建立了经过实验数据验证的数值计算模型,误差不大于4.5%。仿真结果表明:随着喉道直径和长度增大,总压恢复系数逐渐增大,喉道尺寸的增大对于流动损失具有改善作用。

关键词：收缩扩张型混合管圆排波瓣喷管圆形喷管引射器实验与仿真引射性能

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木质素制备航油工艺与能耗优化

北京航空航天大学学报 2024年第3期50卷 904-912页

作者：黄星华董升飞杨晓奕北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

木质素单体的环状结构使其成为航空替代燃料中芳香烃和环烷烃制备的有效前驱体。通过比较分析木质素加氢制备芳香烃和环烷烃、气化制氢、燃烧供热路径的工艺特点和物流信息,采用Aspen Plus进行不同路径的物耗及能耗分析。其中木质素制... 详细信息

木质素单体的环状结构使其成为航空替代燃料中芳香烃和环烷烃制备的有效前驱体。通过比较分析木质素加氢制备芳香烃和环烷烃、气化制氢、燃烧供热路径的工艺特点和物流信息,采用Aspen Plus进行不同路径的物耗及能耗分析。其中木质素制备芳香烃收率为17.3%~20.7%,环烷烃收率为17.5%~23.7%,气化制氢收率为35.519 g/kg木质素,燃烧供热为22.942 MJ/kg木质素。基于充分利用木质素的原则,以木质素气化制氢作为氢源,木质素燃烧作为热源,结合芳香烃和环烷烃制备路径,设计了多条木质素制备航油自供氢自供热的综合工艺。通过能耗分析和优化,得出木质素热解-烷基化-加氢制备芳香烃或环烷烃综合工艺航油综合收率为11.8%或9.2%,综合热负荷为7.357 MJ/kg或7.687 MJ/kg木质素;木质素热解-烷基化-加氢制备芳香烃和环烷烃(1∶1)综合工艺航油综合收率为10.3%,综合热负荷为7.538 MJ/kg木质素,综合氢耗为0.27%。木质素一步法加氢制备航油工艺虽然反应条件温和,流程简单,但仍需进一步改善反应体系以解决高能耗的问题。

关键词：木质素航空替代燃料加氢芳香烃环烷烃能耗分析

GPU加速高阶谱差分方法在风扇噪声中的应用

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航空学报 2024年第8期45卷 118-132页

作者：张东飞高军辉北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

风扇是大涵道比涡扇发动机的主要噪声源之一,准确预测风扇噪声对声学设计、噪声机制分析具有重要意义。高精度计算气动声学方法是风扇噪声计算的一个重要途径,但是由于巨大的计算资源需求,限制了其在风扇噪声计算上的应用。将图形处理器... 详细信息

风扇是大涵道比涡扇发动机的主要噪声源之一,准确预测风扇噪声对声学设计、噪声机制分析具有重要意义。高精度计算气动声学方法是风扇噪声计算的一个重要途径,但是由于巨大的计算资源需求,限制了其在风扇噪声计算上的应用。将图形处理器(GPU)加速计算方法应用到高阶谱差分计算气动声学求解器中,对不同的GPU和中央处理器(CPU)异构计算模式进行了测试和优化,并分析了影响异构计算效率的瓶颈。在A100 GPU卡上测试的结果表明,相比于28核的CPU计算节点,采用静止网格、运动网格的GPU计算加速比分别为20.4、14.0。将GPU加速的计算气动声学求解器应用到低速风扇噪声数值模拟中,准确预测了管道内前两阶叶片通过频率(BPF)的主导模态,与实验测量结果相比,模态声功率级误差在5 dB以内。

关键词： GPU 异构计算风扇噪声谱差分方法叶轮机械

多约束条件下四旋翼机动轨迹跟踪一体化控制方法

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北京航空航天大学学报 2024年第1期50卷 48-60页

作者：王英勋李欣蔡志浩赵江北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

四旋翼无人机高动态飞行需求的增加使其成为一个越来越热门的研究主题。针对四旋翼执行废墟裂缝和树林缝隙穿越任务时的大机动轨迹状态跟踪控制问题,提出基于模型预测控制的一体化控制方法,包含多约束条件下的高机动轨迹规划和多参考状... 详细信息

四旋翼无人机高动态飞行需求的增加使其成为一个越来越热门的研究主题。针对四旋翼执行废墟裂缝和树林缝隙穿越任务时的大机动轨迹状态跟踪控制问题,提出基于模型预测控制的一体化控制方法,包含多约束条件下的高机动轨迹规划和多参考状态量的一体化跟踪控制,并通过飞行试验验证了所提方法相比前馈PID控制方法在跟踪规划的高机动轨迹时的优越性能。在飞行试验中,四旋翼成功穿越了60°滚转角的窄框,其实际滚转角达到60°大角度的同时,z轴误差仅为0.065 m。

关键词：多约束一体化控制模型预测控制轨迹跟踪轨迹规划