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基于深度学习的高速直升机旋翼翼型气动优化设计

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航空学报 2024年第9期45卷 79-91页

作者：柳家齐陈荣钱楼锦华韩旭吴昊尤延铖厦门大学航空航天学院厦门361005

针对高速直升机旋翼翼型的气动优化问题,建立了一种基于深度学习的翼型多目标气动优化框架。首先,搭建深度神经网络预测旋翼翼型气动力系数的代理模型。以SC1095旋翼翼型作为基准翼型,采用CST方法对翼型进行参数化表示,采用拉丁超立方... 详细信息

针对高速直升机旋翼翼型的气动优化问题,建立了一种基于深度学习的翼型多目标气动优化框架。首先,搭建深度神经网络预测旋翼翼型气动力系数的代理模型。以SC1095旋翼翼型作为基准翼型,采用CST方法对翼型进行参数化表示,采用拉丁超立方采样方法生成用于深度神经网络训练的翼型数据集。综合考虑直升机前飞、机动和悬停状态等多设计点的气动性能,开展了基于深度神经网络的代理模型结合多岛遗传算法的高速直升机旋翼翼型多目标气动优化设计。优化结果显示:相比于基准翼型,在没有损失悬停和机动性能的前提下,优化翼型显著改善了前飞性能。分别采用基准翼型和优化翼型建立共轴刚性旋翼,计算并分析前飞状态下基准旋翼和优化旋翼的气动性能,结果表明优化翼型可以显著地提升高速直升机旋翼的气动性能。

关键词：旋翼翼型气动优化深度学习代理模型共轴刚性旋翼

具有稳定性保证的基于模型与条件神经过程的强化学习算法

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中国科学：技术科学 2024年第2期54卷 265-274页

作者：杨嘉楠丁一航朱益民蔡博马雨婷李云鹏韩铭昊哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150000

安全性是强化学习智能控制与决策方法大规模推广应用的必需能力.本文旨在实现智能体只通过安全策略(即将智能体动作限制在安全区域内的策略)收集数据进行训练,并使得最终训练的策略具有安全性保证.针对上述需求,研究拟采用控制理论中稳... 详细信息

安全性是强化学习智能控制与决策方法大规模推广应用的必需能力.本文旨在实现智能体只通过安全策略(即将智能体动作限制在安全区域内的策略)收集数据进行训练,并使得最终训练的策略具有安全性保证.针对上述需求,研究拟采用控制理论中稳定性分析的方法,在一致最终有界性约束下优化强化学习训练的策略.具体而言,本方法提出了一类学习系统动态模型和李雅普诺夫函数的有效方法,在不将智能体驱动到安全区域之外的前提下,利用其实现闭环系统的稳定性分析.此外,本文给出了如何在提高策略性能的同时逐步扩大安全区域的方法,并在此基础上,给出了一种实用有效的算法来保证闭环系统在训练中及训练后的策略稳定性.最终,本文通过倒立摆对理论结果进行了仿真验证,即验证如何在倒立摆不倒下的情况下优化强化学习策略.

关键词：强化学习安全性稳定性分析条件神经过程

基于ISVM-DS的红外多传感器融合识别方法

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系统工程与电子技术 2024年第5期46卷 1555-1560页

作者：吴钇达王彩云王佳宁李晓飞南京航空航天大学航天学院南京江苏210016 北京电子工程总体研究所北京100854

弹道中段目标为一个目标群,包括弹头、诱饵、碎片等,并且由于距离传感器较远,红外成像为点目标,可用信息较少,因此单一的红外传感器往往难以满足识别要求,需要融合多个传感器进行识别。针对红外多传感器的融合识别问题,本文提出了基于... 详细信息

弹道中段目标为一个目标群,包括弹头、诱饵、碎片等,并且由于距离传感器较远,红外成像为点目标,可用信息较少,因此单一的红外传感器往往难以满足识别要求,需要融合多个传感器进行识别。针对红外多传感器的融合识别问题,本文提出了基于增量支持向量机和D-S(increment support vector machine-Dempster-Shafer,ISVM-DS)证据理论的融合识别方法。首先,训练多个波段传感器红外特征的支持向量数据描述(support vector data description,SVDD)模型,生成壳向量并训练其ISVM模型;接着,采用ISVM模型的后验概率生成基本概率赋值(basic probability assignment,BPA);最后,利用D-S证据理论对多个证据的BPA进行融合,输出分类结果。实验结果表明,该方法能有效提高目标识别的准确性。

关键词：弹道目标识别多传感器融合 Dempster-Shafer证据理论支持向量机

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基于空间对抗的多智能体编队控制方法

系统工程与电子技术 2024年第6期46卷 2082-2091页

作者：张杰刘开蓉陈金宝张迎雪陈传志余虹志张云啸南京航空航天大学航天学院江苏南京211106 上海航天控制技术研究所上海201109

针对3维空间对抗环境下,具有非线性二阶积分器动力学模型的多智能体系统(multi-agents system,MAS)时变编队机动与队形变换控制问题,提出一种可抑制外部干扰的MAS时变编队机动与队形变换策略。首先,根据空间对抗环境分析常见编队队形的... 详细信息

针对3维空间对抗环境下,具有非线性二阶积分器动力学模型的多智能体系统(multi-agents system,MAS)时变编队机动与队形变换控制问题,提出一种可抑制外部干扰的MAS时变编队机动与队形变换策略。首先,根据空间对抗环境分析常见编队队形的效用,设计一种基于应力矩阵和领导跟随策略的24机编队立体构型,通过灵活地仿射变换队形,提高MAS编队空间对抗效率。其次,基于一致性理论、滑模理论和鲁棒性控制,利用时变编队应力矩阵,设计了一种鲁棒一致性跟踪控制器,以在外部未知扰动条件下,确保MAS时变编队在机动与仿射变换时跟随者对领导者的精确协同跟踪。然后,通过构造Lyapunov函数证明了外界未知扰动下3维MAS时变编队连续机动和队形变换的稳定性。最后,通过仿真实验验证了所提出的控制器能够使时变编队在机动和队形变换过程中实现精确协同跟踪。

关键词：多智能体系统空间对抗编队队形控制应力矩阵

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运载火箭静力试验加载装置结构拓扑优化设计

宇航学报 2024年第5期45卷 692-699页

作者：张琪刘健晨龙政冀凯歌北华航天工业学院航空宇航学院廊坊065000

针对运载火箭结构静力试验中工装部件多、重量大的情况,开展轻量化设计,提出一种加载装置精细拓扑优化方法。基于变密度法,构造了以柔顺度最小为目标函数、以体积比为约束条件的拓扑优化模型,通过分段选取材料密度值,实现了结构精细拓... 详细信息

针对运载火箭结构静力试验中工装部件多、重量大的情况,开展轻量化设计,提出一种加载装置精细拓扑优化方法。基于变密度法,构造了以柔顺度最小为目标函数、以体积比为约束条件的拓扑优化模型,通过分段选取材料密度值,实现了结构精细拓朴。根据优化结果确定主承力结构及可减重部分,采用最小二乘法对结构不规则边界进行曲面拟合以提高其工艺性。最终承载1 500 t轴压的加载装置单个减重19.7%,结构应力和变形减小且分布更为均匀。本研究对于飞行器结构力学试验高承载部件的设计具有参考意义和实用价值。

关键词：运载火箭静力试验结构拓扑优化变密度法加载装置轻量化设计

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基于高速飞行器火力控制模型的智能解算方法

北京航空航天大学学报 2024年第5期50卷 1693-1701页

作者：杨犇金飞腾刘燕斌陈柏屹彭寿勇南京航空航天大学航天学院南京211106 南京航空航天大学自动化学院南京211106 北京空天技术研究所北京100074

研究吸气式高速飞行器的火力控制解算问题,针对高速飞行器较传统的亚音速与超音速飞行器系统响应时间短,飞行环境复杂,对火力控制模型解算要求度高等难点,提出了一种高速飞行器火力控制模型的解算方法。构建了面向高速飞行器平台的火力... 详细信息

研究吸气式高速飞行器的火力控制解算问题,针对高速飞行器较传统的亚音速与超音速飞行器系统响应时间短,飞行环境复杂,对火力控制模型解算要求度高等难点,提出了一种高速飞行器火力控制模型的解算方法。构建了面向高速飞行器平台的火力控制模型,并根据高速飞行器的飞行特性,使用快速模拟法结合阿基米德优化算法求解攻击区域,并反解出载机初始的指令信号。仿真结果表明,该解算方法解算精度高,控制参数少,所实现的攻击区域广,且能发挥高速飞行器较强的飞行性能。

关键词：高速飞行器火力控制攻击区域阿基米德优化算法智能解算

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基于射流飞控技术的环量控制阶段数值研究

清华大学学报（自然科学版） 2024年第2期64卷 346-357页

作者：王睿雯毕殿方黄旭东清华大学航天航空学院北京100084

环量控制技术通过调节射流喷气量实现翼型气动性能的提升,在Coanda效应作用下,翼型环量会发生改变,且尾缘后流场出现分离。目前环量控制的分离位置与射流位置、射流高度及射流强度的关系尚不明确。该文主要研究了Coanda效应对流场分布... 详细信息

环量控制技术通过调节射流喷气量实现翼型气动性能的提升,在Coanda效应作用下,翼型环量会发生改变,且尾缘后流场出现分离。目前环量控制的分离位置与射流位置、射流高度及射流强度的关系尚不明确。该文主要研究了Coanda效应对流场分布及升阻力特性的影响,并对环量控制的不同控制阶段进行了分析。首先,对NACA0012标准翼型进行尾缘修型,改变尾缘曲率和喷口高度等参数,验证环量控制的有效性;其次,在考虑攻角、动量系数、射流速度3个关键参数的情况下,引入Coanda偏转角,揭示了环量控制的Coanda效应的触发及抑制机理;最后,对NACA0012修型翼型和CC-E0020EJ环量控制翼型提出了分离预测思路。针对环量控制技术中2个控制阶段,通过推阻分解法对升力、阻力进行解构,解释了尾缘后流场分离与再附的超临界现象,提出了分离区域的分析方法。结果表明:Coanda偏转角可以作为动量系数与升力系数的物理判据,翼型下表面的压力损失导致超环量阶段的射流效率降低。

关键词：环量控制 Coanda效应失速特性射流飞行控制气动增升

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基于对偶四元数的多体系统动力学建模和控制

力学学报 2024年第7期56卷 2091-2102页

作者：王培栋王天舒清华大学航天航空学院北京100084

空间机械臂的在轨作业是当前空间在轨服务中应用最为广泛的技术之一,然而,机械臂在操作过程中漂浮基座与臂体之间的位姿耦合效应极为显著,这给控制系统设计带来了新挑战.针对多刚体系统的位姿一体化建模与控制问题,文章改进了基于对偶... 详细信息

空间机械臂的在轨作业是当前空间在轨服务中应用最为广泛的技术之一,然而,机械臂在操作过程中漂浮基座与臂体之间的位姿耦合效应极为显著,这给控制系统设计带来了新挑战.针对多刚体系统的位姿一体化建模与控制问题,文章改进了基于对偶四元数的位姿一体化建模和控制方法,使之可以应用于多刚体系统.该方法不仅能够精确描述复杂的力学关系,还能够在统一的数学框架中有效地处理位姿耦合问题,这为后续设计姿轨一体化的控制系统提供了极大的便利.首先,基于铰链模型建立了对偶四元数形式的铰链和臂体之间的速度和加速度递推关系,然后,利用铰链和臂体间力-力矩传递关系建立了递推形式的逆向动力学方程,为了便于控制系统设计与分析,随后推导建立了矩阵形式的位姿一体化的正向动力学方程.然后针对推进器和控制力矩陀螺讨论了具体的执行机构的动力学建模问题,并分别讨论了机械臂和漂浮基座的位姿一体化控制问题.最后,对一个6自由度机械臂和漂浮基座的组合体进行了动力学建模和控制仿真,动力学仿真的结果证明了所提动力学建模方法的正确性,控制仿真表明控制系统能较快地抵消机械臂运动对基座产生的干扰力和干扰力矩,证明了所提控制方法的有效性和可行性.

关键词：多刚体动力学对偶四元数一体化控制空间机械臂漂浮基座

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异戊烷喷淋塔内凝华碳捕集的一维模拟

清华大学学报（自然科学版） 2024年第8期64卷 1502-1508页

作者：靳鑫王兵清华大学航天航空学院北京100084

二氧化碳(CO_(2))捕集是碳减排技术的研究热点,其中低温凝华碳捕集技术具有碳捕集率高、绿色环保和二氧化碳捕集纯度高等优势,应用前景广阔。但目前凝华碳捕集的研究相对不足,且基于固体媒介凝华二氧化碳的技术途径具有显著的局限性。... 详细信息

二氧化碳(CO_(2))捕集是碳减排技术的研究热点,其中低温凝华碳捕集技术具有碳捕集率高、绿色环保和二氧化碳捕集纯度高等优势,应用前景广阔。但目前凝华碳捕集的研究相对不足,且基于固体媒介凝华二氧化碳的技术途径具有显著的局限性。该文采用基于喷淋低温液滴的凝华方法改进二氧化碳捕集技术,建立了一维异戊烷喷淋塔模型并模拟计算了稳态工作特性,通过分析喷淋塔内的温度场和浓度场,探究了喷淋塔的碳捕集率变化规律及其影响因素。结果表明:越小的液滴直径、越低的液滴初始温度和较长的气液相互作用时间对提升喷淋塔的碳捕集率具有重要作用。此外,该文还揭示了喷淋塔内二氧化碳的浓度场是凝华过程的主控因素,而塔内凝华的发展程度及碳捕集率则取决于液滴初始温度和气液相互作用时间。

关键词：异戊烷喷淋塔低温碳捕集技术气固凝华数值模拟