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基于深度强化学习的多无人车系统编队控制

力学学报 2024年第2期56卷 460-471页

作者：曾毓凌郝宇清于颖王青云北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

针对多智能体编队控制问题,研究了基于DDQN深度强化学习算法的多无人车系统的编队控制器,采用一致性控制与伴随位形相结合的方法对编队控制问题进行建模和简化.建立了基于相对距离和速度的状态空间,使得控制输入不依赖于全局信息,然后... 详细信息

针对多智能体编队控制问题,研究了基于DDQN深度强化学习算法的多无人车系统的编队控制器,采用一致性控制与伴随位形相结合的方法对编队控制问题进行建模和简化.建立了基于相对距离和速度的状态空间,使得控制输入不依赖于全局信息,然后设计了基于九大典型运动方向的动作空间,并设计了基于相对距离和相对速度的奖励函数,基于以上参数进行了神经网络架构的设计和网络训练与运动仿真环境的搭建,并成功训练出有效的控制器.该控制器可以直接应用于带有非完整约束的欠驱动无人车的编队任务,且控制器的网络训练只需要运动数据而不需要精确模型,是一种无模型控制方法.最后,通过大量不同场景下的运动仿真验证了控制器的有效性,包括多队形、多位置、多轨迹仿真以及时变队形、时变通讯和通讯故障等特殊情况的检验,该控制器在所有场景中均能有效完成控制任务.最后优化了编队起始阶段的策略,定义了等候条件与启动条件,有效节约了控制的能耗,利用运动仿真和对比分析验证了优化作用.

关键词：无人车一致性控制编队控制深度强化学习无模型控制

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局部凸起在V形钝前缘模型中的降热特性研究

力学学报 2024年第4期56卷 915-927页

作者：李帅姜振华张珊尹同阎超北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

三维内转式进气道的唇口结构通常存在复杂的激波干扰及严酷的气动热载荷,严重威胁高超声速飞行器的性能与安全.在6.0马赫的高超声速流动中,以V形钝前缘模型为研究对象,设计了局部凸起的被动流动控制降热方案.采用数值模拟手段,首先研究... 详细信息

三维内转式进气道的唇口结构通常存在复杂的激波干扰及严酷的气动热载荷,严重威胁高超声速飞行器的性能与安全.在6.0马赫的高超声速流动中,以V形钝前缘模型为研究对象,设计了局部凸起的被动流动控制降热方案.采用数值模拟手段,首先研究了局部凸起方案的降热能力以及降热原理,然后初步优化了局部凸起的位置、高度以及宽度等关键设计参数,最后分析了优化后的局部凸起方案的攻角、侧滑角及马赫数的适用性.研究结果表明:上游凸起边缘形成的斜激波与主马赫反射结构形成的透射激波发生干扰,能够减弱其冲击壁面的强度,实现降热的目的;驻点凸起通过改变超声速射流的对撞角度,能够降低其对撞的强度,实现降热的目的.原始方案的降热能力约为37.75%,在对局部凸起的关键设计参数进行初步优化后,优化方案的降热能力将提升至44.60%.设计工况下的优化方案具有良好的攻角适用性,而高度可变的优化方案可以较好地适用于有侧滑角及高马赫数的流动.在研究范围内,高度可变的优化局部凸起方案的降热能力均高于20%.

关键词：内转式进气道 V形钝前缘气动热流动控制局部凸起

翼尖铰接组合式无人机气动建模方法及布局参数影响

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航空学报 2024年第6期45卷 167-182页

作者：安朝霍贵玺孟杨谢长川杨超北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

翼尖铰接组合式无人机是一类新概念飞行器,其由多个单体无人机以翼尖铰接形式连接而成并允许相对滚转运动,在布局参数及飞行力学特性上与常规飞行器有较大不同,单体无人机间存在气动耦合。首先基于状态空间形式涡格法给出了针对该类型... 详细信息

翼尖铰接组合式无人机是一类新概念飞行器,其由多个单体无人机以翼尖铰接形式连接而成并允许相对滚转运动,在布局参数及飞行力学特性上与常规飞行器有较大不同,单体无人机间存在气动耦合。首先基于状态空间形式涡格法给出了针对该类型飞行器的气动导数计算方法。然后,结合Newton-Euler方程建立的飞行力学模型进行配平计算及飞行力学稳定性分析,说明其具有以相对滚转运动主导的不稳定复合运动飞行模态特征。最后,开展布局参数对飞行动力学稳定性影响研究,经分析,减小单体无人机配平滚转角,增加后掠角可以改善飞行稳定性,同时机翼与尾翼距离存在改善飞行稳定性最优值。研究结果可为翼尖铰接组合式无人机设计提供指导和参考。

关键词：飞行力学多体组合式无人机新概念飞行器涡格法气动布局

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拓扑优化相变热沉在不同重力场的性能

北京航空航天大学学报 2024年第1期50卷 250-259页

作者：王仕淞殷健宝邢玉明侯煦王子贤北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

为强化相变热沉的性能,基于带惩罚的固体各向同性材料(SIMP)法对山梨糖醇相变热沉进行传热拓扑优化设计。对拓扑优化的相变热沉(Ⅰ)和直肋式的相变热沉(Ⅱ)进行定常重力(0~20g)和周期性重力条件的数值模拟研究。利用无量纲数对比二者的... 详细信息

为强化相变热沉的性能,基于带惩罚的固体各向同性材料(SIMP)法对山梨糖醇相变热沉进行传热拓扑优化设计。对拓扑优化的相变热沉(Ⅰ)和直肋式的相变热沉(Ⅱ)进行定常重力(0~20g)和周期性重力条件的数值模拟研究。利用无量纲数对比二者的热性能,研究结果表明:热沉Ⅰ的吸热和均热性能优于热沉Ⅱ;在相同重力环境下,以80℃为目标,热沉Ⅰ温控时间比热沉Ⅱ平均多26.8%;微低重力下热沉内部近乎导热,略逊于常规重力下热性能;超重力强化的自然对流可以显著提升热沉性能,10g条件相比常规重力的温控时间增加8.94%,而相同Ra^(*)下,周期性重力对热沉Ⅰ的性能有抑制作用。研究结果对飞行器载相变热沉的地面细化设计有一定指导意义。

关键词：相变材料山梨糖醇拓扑优化热控性能无量纲数

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附着水滴光学窗口偏振成像特性研究

工程热物理学报 2024年第4期45卷 1125-1131页

作者：杨佳辰王新新朱克勇黄勇北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

偏振成像技术作为一种前沿的成像技术,在近些年来发展迅速。相比于传统的成像技术,偏振成像技术在提供二维空间光强分布的基础上,增加了偏振维度的信息,提高了成像的准确度。本文对附着水滴光学窗口模型开展偏振成像特性的研究,用蒙特... 详细信息

偏振成像技术作为一种前沿的成像技术,在近些年来发展迅速。相比于传统的成像技术,偏振成像技术在提供二维空间光强分布的基础上,增加了偏振维度的信息,提高了成像的准确度。本文对附着水滴光学窗口模型开展偏振成像特性的研究,用蒙特卡洛光线追踪法完成了数值模拟,用Stokes矢量记录偏振维的信息,分析了光源类型、水滴直径和水滴接触角对成像效果的影响规律,对提高成像质量具有重要意义。

关键词：偏振成像附着水滴光学窗口蒙特卡洛光线追踪法

临近空间低动态飞行器螺旋桨流动控制研究进展

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航空学报 2024年第17期45卷 19-37页

作者：甘文彪庄俊杰向锦武左振杰赵志杰罗振兵北京航空航天大学无人系统研究院北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 国防科技大学空天科学学院长沙410073

高空太阳能无人机、平流层飞艇等临近空间低动态飞行器具有可持久飞行的潜能,在连续广域预警侦察、监视观测、应急响应、抢险救灾等军民用方面具有重要的应用价值。目前,由于高空稀薄大气条件、变高度越夜能耗需求等限制,低动态临近空... 详细信息

高空太阳能无人机、平流层飞艇等临近空间低动态飞行器具有可持久飞行的潜能,在连续广域预警侦察、监视观测、应急响应、抢险救灾等军民用方面具有重要的应用价值。目前,由于高空稀薄大气条件、变高度越夜能耗需求等限制,低动态临近空间飞行器面临着低雷诺数螺旋桨多点工作效率不足的问题。近年来,随着控制元件能耗的降低和可靠性的提升,流动控制技术在螺旋桨增效方面的应用潜力凸显,论文梳理了临近空间低动态飞行器螺旋桨流动控制技术的研究进展。首先,回顾了临近空间低动态飞行器低雷诺数螺旋桨气动设计分析技术现状,明确了螺旋桨流动控制所需的气动分析基础;其次,结合变桨距和主被动控制原理,分析了桨叶后缘变形控制、桨尖小翼等螺旋桨被动控制研究现状;再者,从主动射流控制原理入手,介绍了螺旋桨等离子射流控制的进展;接着,阐述了协同射流螺旋桨增效控制研究现状及其局限性;然后,分析了螺旋桨合成双射流控制现状及其潜力情况;最后,总结了临近空间低动态飞行器螺旋桨流动控制研究面临的科学问题,并提出了可行的研究方向。

关键词：临近空间螺旋桨流动控制低雷诺数合成双射流

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多步法冰晶积冰数值模拟

航空学报 2024年第14期45卷 144-157页

作者：卜雪琴黄平林贵平楼燕霞北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 北京航空航天大学杭州国际创新研究院杭州311115

近年来,冰晶结冰问题逐渐成为飞机/发动机防除冰领域研究的热点。为了实现对冰晶积冰过程的准确预测,建立了冰晶结冰计算模型,包括考虑了不规则形状的冰晶运动轨迹模型、冰晶结冰质量动量守恒模型、黏附模型、侵蚀模型。采用时间多步法... 详细信息

近年来,冰晶结冰问题逐渐成为飞机/发动机防除冰领域研究的热点。为了实现对冰晶积冰过程的准确预测,建立了冰晶结冰计算模型,包括考虑了不规则形状的冰晶运动轨迹模型、冰晶结冰质量动量守恒模型、黏附模型、侵蚀模型。采用时间多步法模拟积冰过程,在每个时间步长内更新空气流场、冰晶粒子运动轨迹、结冰热力学计算结果,并利用动网格技术更新冰形的几何边界。研究结果表明,利用时间多步法进行计算,能够实现稳定冰形的模拟。稳定冰形形成的原因在于:一方面,积冰减少了表面冰晶的黏附量;另一方面,积冰增大了对已形成积冰的侵蚀量,最终使黏附积冰过程与侵蚀过程达到动态平衡。本文模型和计算方法适用于低融化率情况,能够对三维结构冰晶结冰数值模拟提供指导,但对于高融化率情况还需要进一步考虑积冰向下游流走的情况。

关键词：冰晶结冰黏附侵蚀多步法动网格

基于轻量残差复合增强收敛神经网络的粒子场计算层析成像伪影噪声抑制

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物理学报 2024年第10期73卷 162-174页

作者：施岳欧攀郑明邰含旭王玉红段若楠吴坚北京航空航天大学物理学院北京100191 北京航空航天大学仪器与光电工程学院北京100191

由于流场中的微粒分布状态能够充分表征场的特性,因此通过稀疏采样实现快速和高质量的粒子场成像始终是实验流体力学等领域高度期盼的.近年来,随着深度学习应用于粒子计算层析成像,如何提高神经网络的处理效率和质量,以消除稀疏采样所... 详细信息

由于流场中的微粒分布状态能够充分表征场的特性,因此通过稀疏采样实现快速和高质量的粒子场成像始终是实验流体力学等领域高度期盼的.近年来,随着深度学习应用于粒子计算层析成像,如何提高神经网络的处理效率和质量,以消除稀疏采样所致的粒子层析图像伪影噪声仍然是一个挑战性课题.为解决这一问题,本文提出了一种新的抑制粒子场层析成像伪影噪声和提高网络效率的神经网络方法.该方法在设计上包含了轻量化双残差下采样图像压缩和特征识别提取、快速特征收敛的上采样图像恢复,以及基于经典计算层析成像算法的优化信噪比网络输入样本集构建.对整个成像系统的模拟分析和实验测试表明,相比于经典的U-net和Resnet50网络方法,本文提出的方法不仅在输出/输入的粒子图像信噪比、重建像的残余伪影噪声(即鬼粒子占比)和有效粒子损失比方面获得了极大的改进,而且也显著提高了网络的训练效率.这对发展基于稀疏采样的快速和高质量粒子场计算层析成像提供了一个新的有效方法.

关键词：粒子场成像计算层析成像深度学习噪声抑制

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热风洞温度系统的无模型自适应级联控制

北京航空航天大学学报 2024年第5期50卷 1713-1720页

作者：陈嘉诚杨旭马渝翔李栋董素君李运华北京航空航天大学大型飞机高级人才培训班北京100191 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

热风洞能够为高温热电偶动态标定和航空发动机叶片热强度测试等应用场景提供均匀且稳定的温度场,如何对热风洞所产生的热气流进行宽温范围的温度控制是一个难点。为此,建立了热风洞燃油流量和燃烧室温度的数学模型;设计了一种内环为增... 详细信息

热风洞能够为高温热电偶动态标定和航空发动机叶片热强度测试等应用场景提供均匀且稳定的温度场,如何对热风洞所产生的热气流进行宽温范围的温度控制是一个难点。为此,建立了热风洞燃油流量和燃烧室温度的数学模型;设计了一种内环为增量式比例积分微分(PID)和外环为无模型自适应控制(MFAC)的级联控制方法,增量式PID控制器控制燃油流量,MFAC控制器控制燃烧室温度,实现了对燃烧室温度的有效控制;进行了不同目标温度的数值模拟和试验研究,并与FuzzyPID-PID级联控制方案和传统的级联PID控制方案进行了对比测试。试验结果确认了所提控制方案的可行性与优越性。

关键词：热风洞温度控制无模型自适应控制增量式比例积分微分级联控制