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基本信息
- 項目名稱：
- 智能自主控制飛翼布局無人機(jī)驗證系統(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驗與驗證平臺，在實驗教學(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)計及其飛控系統(tǒng)，自主設(shè)計并制作了飛翼布局無人驗證機(jī)，并完成飛行實驗、飛行參數(shù)實時采集、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，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作為減速板使用。 本作品開發(fā)了MIMU/GPS/磁強(qiáng)計微型組合導(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，并結(jié)合四元數(shù)法通過已測得的參數(shù)可以較精確的實時估計出飛行器的姿態(tài)角，并通過三軸磁力計所測得的磁偏角以及三軸溫度計測得的溫度對姿態(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)實時地將飛機(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)，實現(xiàn)對飛機(jī)進(jìn)行操縱、控制以及航路規(guī)劃，同時地面站還要監(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)計者和核心算法研究工作者，提供飛行驗證和調(diào)試的試驗平臺，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、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、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，設(shè)計一種綜合控制系統(tǒng)，具備較好的開放性，主要供使用者驗證各種先進(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)計軟件，設(shè)計并制作具備10個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，設(shè)計綜合控制系統(tǒng)。創(chuàng)新點：（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。獨特的飛行控制設(shè)計：由于沒有常規(guī)水平和垂直尾翼，飛翼布局飛機(jī)只能依靠多個操縱面（包括創(chuàng)新作動面）來實現(xiàn)穩(wěn)定與控制—機(jī)翼和機(jī)身后緣上設(shè)計有眾多的操縱面。通過數(shù)字飛控系統(tǒng)計算機(jī)，控制一個或多個伺服舵機(jī)驅(qū)動各個操縱面。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：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)。基于MEMS 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)計微型組合導(dǎo)航系統(tǒng)，運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)計與驗證》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
- 實物 圖片 錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(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用升限。（5）新型“開裂式阻力方向舵”設(shè)計，獨特的飛行控制方式，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；（6）10組分布式多操縱面設(shè)計，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)實時采集系統(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。
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）的理論與實際運用研究更為廣泛。美國Boeing公司在X48B/C等飛機(jī)項目上的投資力度大，飛機(jī)設(shè)計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)計與運用帶來巨大挑戰(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際運用行列。但是絕大多數(shù)都停留在較為單一的學(xué)科領(lǐng)域的運用。軍用、民用方面比較少，僅有的運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)隊全自主研發(fā)，從氣動外形設(shè)計到詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計、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)計與實現(xiàn)中，我們運用多種控制算法設(shè)計飛行控制系統(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、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驗數(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)編隊任務(wù)飛行等方面發(fā)展前景較好。
