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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 智能自主控制飛翼布局無人機(jī)驗(yàn)證系統(tǒng)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 該作品采用新型“W”無尾飛翼布局，控制舵面由十組互為獨(dú)立的分布式控制舵面構(gòu)成，其中四組舵面組成新型分裂式阻力方向舵。作品主要由無人機(jī)機(jī)體、動力系統(tǒng)、起落裝置以及智能飛行導(dǎo)航控制系統(tǒng)組成。具有良好的開放性，為用戶提供較好的飛行實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證平臺，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、國防建設(shè)與民用航空領(lǐng)域均具有較強(qiáng)的應(yīng)用與發(fā)展前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品采用“W”型式飛翼氣動布局，飛翼氣動布局具有其獨(dú)特的氣動優(yōu)勢，現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)的快速發(fā)展使得這類布局在有人機(jī)和無人機(jī)上運(yùn)用越來越廣。飛翼布局自然安定性比常規(guī)布局飛機(jī)差，這對飛行控制方式、飛控系統(tǒng)以及核心控制算法提出巨大挑戰(zhàn)。本作品針對飛翼布局飛行器的氣動設(shè)計(jì)及其飛控系統(tǒng)，自主設(shè)計(jì)并制作了飛翼布局無人驗(yàn)證機(jī)，并完成飛行實(shí)驗(yàn)、飛行參數(shù)實(shí)時(shí)采集、模型辨識以及自主飛行控制系統(tǒng)的研發(fā)工作； 飛翼翼剖面使用反彎度翼型以增加縱向靜穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)狀態(tài)附近俯仰力矩接近零的自配平能力。飛翼布局無垂直尾翼和傳統(tǒng)的方向舵，航向穩(wěn)定性趨近中立穩(wěn)定，航向控制方式采用新型的阻力方向舵控制。該舵面配置在距離飛機(jī)對稱面較遠(yuǎn)位置，靠近翼梢。當(dāng)單側(cè)上下舵面張開一定角度時(shí)，作用在飛機(jī)上的非對稱阻力將產(chǎn)生偏航控制力矩；當(dāng)飛機(jī)左右兩側(cè)的阻力方向舵同時(shí)上下張開較大角度，可增加飛機(jī)氣動阻力，起到減速效果，可參與飛機(jī)速度控制，如空中加油減速控制、進(jìn)場降落減速控制以及降落接地后滑行時(shí)作為減速板使用。 本作品開發(fā)了MIMU/GPS/磁強(qiáng)計(jì)微型組合導(dǎo)航系統(tǒng)，對GFMIMU/GPS 組合導(dǎo)航信息融合技術(shù)進(jìn)行了研究，運(yùn)用了基于模型誤差預(yù)測的擴(kuò)展卡爾曼濾波MEP-EKF方法。在AHRS，運(yùn)用了模型預(yù)測卡爾曼濾波算法，這種對AHRS的擴(kuò)展卡爾曼濾波可以實(shí)現(xiàn)對連續(xù)的非線性動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，并結(jié)合四元數(shù)法通過已測得的參數(shù)可以較精確的實(shí)時(shí)估計(jì)出飛行器的姿態(tài)角，并通過三軸磁力計(jì)所測得的磁偏角以及三軸溫度計(jì)測得的溫度對姿態(tài)角進(jìn)行校正和補(bǔ)償，進(jìn)一步縮小姿態(tài)角誤差，從而提高控制系統(tǒng)的控制精度和控制效率。 本作品的數(shù)據(jù)處理核心采用PC104模塊，DSP采集的信號通過串口傳輸給PC104，PC104在存儲PWM信號的同時(shí)將采集到的飛行姿態(tài)信息進(jìn)行處理，在線解算控制律，并產(chǎn)生PWM波控制舵機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對飛行器的控制，下圖為控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成，PC104作為機(jī)載數(shù)據(jù)處理及控制核心，對飛機(jī)進(jìn)行配平、姿態(tài)控制和航向糾偏。 選用Visual Basic作為地面站開發(fā)軟件，飛機(jī)上的無線數(shù)傳系統(tǒng)實(shí)時(shí)地將飛機(jī)姿態(tài)、舵偏角、飛行速度、高度、GPS信息傳輸?shù)降孛嬲?，地面站再將所有?shù)據(jù)進(jìn)行匯總、顯示，工作人員可以在地面站設(shè)定各種參數(shù)將設(shè)定值通過無線數(shù)傳設(shè)備發(fā)送到機(jī)載控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)進(jìn)行操縱、控制以及航路規(guī)劃，同時(shí)地面站還要監(jiān)控飛機(jī)上控制系統(tǒng)是否工作正常，如出現(xiàn)故障應(yīng)立即報(bào)警并切換到手動遙控狀態(tài)。 本作品研制了一套功能齊全，操作簡單，使用方便的智能飛翼布局無人機(jī)系統(tǒng)，為智能無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和核心算法研究工作者，提供飛行驗(yàn)證和調(diào)試的試驗(yàn)平臺，將為系統(tǒng)的研制節(jié)約成本，縮短周期。 目前本系統(tǒng)功能還在不斷擴(kuò)展完善，本團(tuán)隊(duì)正在無尾飛翼布局無 人機(jī)的全自主起飛、降落回收、UAV多機(jī)編隊(duì)任務(wù)飛行、UAV中繼、UAV艦載起降等方向繼續(xù)進(jìn)行深入研究。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 針對具有高氣動效率、低雷達(dá)反射面積RCS的無尾式飛翼氣動布局飛行器在其自然飛行品質(zhì)較差以及操控性不足等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種綜合控制系統(tǒng)，具備較好的開放性，主要供使用者驗(yàn)證各種先進(jìn)控制算法、新型組合導(dǎo)航技術(shù)以及新型多操縱面分配管理與余度重構(gòu)控制技術(shù)?；舅悸罚海?）研究飛翼布局飛行器氣動特性，通過多學(xué)科綜合優(yōu)化MDO設(shè)計(jì)方法，使用多目標(biāo)優(yōu)化和多屬性決策綜合優(yōu)化氣動、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等方面的綜合性能。利用CATIA、CFX等輔助設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)并制作具備10個(gè)操縱面的無尾式飛翼氣動布局飛行器。（2）針對飛翼氣動布局飛行器在其自然飛行品質(zhì)較差以及操控性不足等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)綜合控制系統(tǒng)。創(chuàng)新點(diǎn)：（1）本作品內(nèi)部空間較常規(guī)布局飛機(jī)增大20-30%；全機(jī)升阻比提高25-30%。提高了續(xù)航時(shí)間、航程和有效載荷；降低能源消耗、減少大氣污染、降低噪音污染等。（2）使用多操縱面分配技術(shù)提高舵面效率與可靠性, 在很大程度上增加了飛行控制系統(tǒng)的控制冗余，提高了飛機(jī)的控制能力。主要技術(shù)指標(biāo)：飛機(jī)機(jī)長1080mm，翼展2769mm，機(jī)高380mm；任務(wù)倉空間：500mm×200mm×130mm；（13L）正常起飛重量10kg，機(jī)載燃油重2.5kg，機(jī)載設(shè)備重量3kg；巡航速度：25-40m/s；航時(shí)2h；航程200km；姿態(tài)控制精度±0.5°；導(dǎo)航精度±10m。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品相對于常規(guī)布局的飛機(jī)機(jī)體內(nèi)部空間增大20-30%，升阻比提高25-30%，提高飛行器的續(xù)航時(shí)間、航程和有效載荷、降低能源消耗、減少大氣污染、降低噪音污染等。獨(dú)特的飛行控制設(shè)計(jì)：由于沒有常規(guī)水平和垂直尾翼，飛翼布局飛機(jī)只能依靠多個(gè)操縱面（包括創(chuàng)新作動面）來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定與控制—機(jī)翼和機(jī)身后緣上設(shè)計(jì)有眾多的操縱面。通過數(shù)字飛控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，控制一個(gè)或多個(gè)伺服舵機(jī)驅(qū)動各個(gè)操縱面。飛翼飛機(jī)的操縱響應(yīng)是非線性和高度耦合，所有操縱面均保持活躍狀態(tài)。新型多操縱面分配管理與余度重構(gòu)控制設(shè)計(jì)：高技術(shù)挑戰(zhàn)的飛行控制系統(tǒng)軟件里的舵面控制分配問題，飛行控制余度與重構(gòu)技術(shù)?；贛EMS 儀表的慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)：基于MEMS 儀表的慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)是飛行器實(shí)現(xiàn)輕小型化的關(guān)鍵配套設(shè)備之一。作品開發(fā)了MIMU/GPS/磁強(qiáng)計(jì)微型組合導(dǎo)航系統(tǒng)，運(yùn)用了基于模型誤差預(yù)測的擴(kuò)展卡爾曼濾波MEP-EKF方法對GFMIMU/GPS 組合導(dǎo)航信息融合技術(shù)進(jìn)行了深入研究。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010 年“雪野湖”杯科研類全國航空航天模型錦標(biāo)賽《無尾布局飛機(jī)阻力舵動力學(xué)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證》國家二等獎
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 有償轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物 圖片 錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- （1）新型“W”無尾飛翼式氣動布局，隱身特性良好，雷達(dá)反射截面積低；（2）高升阻比，全機(jī)升阻比較常規(guī)布局無人機(jī)增加25-30%，提高無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間、航程及有效載荷；降低能源消耗、減少大氣污染、降低噪音污染；（3）較大的容積率，機(jī)體內(nèi)空間尺寸與常規(guī)布局無人機(jī)相比可提高20-30%；（4）低翼載荷，高機(jī)動性能以及較高的實(shí)用升限。（5）新型“開裂式阻力方向舵”設(shè)計(jì)，獨(dú)特的飛行控制方式，且具有控制耗能少，減少常規(guī)方向舵和垂尾產(chǎn)生的廢阻的優(yōu)點(diǎn)；（6）10組分布式多操縱面設(shè)計(jì)，舵面分配管理方式靈活，控制效率及冗余度與常規(guī)布局無人機(jī)相比明顯提高，實(shí)現(xiàn)小型無人機(jī)的多余度控制功能。（7）基于DSP控制器的24通道飛行參數(shù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)； （8）基于PC104的具備可供二次開發(fā)的模塊化飛行控制管理系統(tǒng)； （9）機(jī)器學(xué)習(xí)方法提高控制精度，具有一定智能，可縮短研發(fā)周期，減少研發(fā)經(jīng)費(fèi)。
同類課題研究水平概述
- 目前國外對新型氣動布局的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于國內(nèi)。尤其是在對BWB（飛翼式翼身融合體氣動布局）的理論與實(shí)際運(yùn)用研究更為廣泛。美國Boeing公司在X48B/C等飛機(jī)項(xiàng)目上的投資力度大，飛機(jī)設(shè)計(jì)理論上面有很大突破，飛行控制方面所采用的控制算法則是緘口不言?？s比的模型已經(jīng)成功試飛100多架次。從媒體公布的消息得知，BWB布局氣動效率潛力巨大。但是氣動方面的優(yōu)勢給飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用帶來巨大挑戰(zhàn)。國內(nèi)對這類飛行器的研究有了一些突破，從前幾年的純理論研究邁入了實(shí)際運(yùn)用行列。但是絕大多數(shù)都停留在較為單一的學(xué)科領(lǐng)域的運(yùn)用。軍用、民用方面比較少，僅有的運(yùn)用也基本采用國外現(xiàn)成的簡單的小型飛控系統(tǒng)，缺乏真正屬于自己的核心技術(shù)。嚴(yán)重影響市場推廣。本無人機(jī)系統(tǒng)是我們團(tuán)隊(duì)全自主研發(fā)，從氣動外形設(shè)計(jì)到詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、從飛機(jī)控制仿真到控制程序編寫、從飛機(jī)硬件構(gòu)架到控制系統(tǒng)軟件開發(fā)，均有團(tuán)隊(duì)成員協(xié)同完成。本飛翼布局無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，我們運(yùn)用多種控制算法設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)：包括（1）經(jīng)典的PID算法；（2）模型預(yù)測控制加機(jī)器強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法對無人機(jī)進(jìn)行控制率設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)仿真、搭建飛控系統(tǒng)硬件平臺、編寫飛行控制系統(tǒng)程序，并進(jìn)行驗(yàn)證試飛飛行，完成了飛行調(diào)參和數(shù)據(jù)采集等工作，獲得了寶貴的飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前本系統(tǒng)功能還在不斷擴(kuò)展完善，在全自主起飛、降落回收、無人機(jī)多機(jī)編隊(duì)任務(wù)飛行等方面發(fā)展前景較好。
