微型飞行器实时飞行仿真系统的设计与实现

微型飞行器的实时飞行仿真技术在飞行器集群控制、任务分配以及军事指挥等方面有着广阔的应用前景.在研究视景仿真技术的基础上,首先基于Multigen Creator和Vega软件,建立多架微型飞行器的飞行视景仿真环境.然后采用C++技术开发了该飞行仿真系统与路径规划系统的实时数据传输接口,并为每架飞行器设置了独立的运动模型,来接收路径数据和实时调整飞行器的路径及飞行姿态,从而实现了飞行器的实时协同飞行仿真.     

仿鸟扑翼飞行器动力学建模

针对仿鸟扑翼飞行控制算法设计和验证需要,建立了仿鸟扑翼飞行器的动力学模型和仿真系统.在建立仿鸟扑翼飞行器柔性翼模型的基础上,基于非定常空气动力学原理,用修正的准定常气动力计算模型估算出了翅膀扑动产生的高升力;估算了平尾产生的控制力矩.在分析惯性力的基础上建立了扑翼飞行器的状态空间方程,进而基于Matlab语言和Simulink环境设计了微型扑翼飞行器仿真系统,并给出了相应的仿真结果.     

虚拟微型扑翼飞行器建模仿真

针对扑翼飞行控制算法设计和验证需要，研究了扑翼飞行器数学建模和仿真系统建立问题。构造了一个虚拟微型扑翼飞行器（VFMAV：Virtual Flapping wing Micro Air Vehicle），基于非定常空气动力学原理，用修正的准定常气动力计算模型估算出了翅膀扑动产生的高升力。分析惯性力的基础上建立了扑翼飞行器的状态空间方程，进而基于Matlab语言和Simulink环境设计了虚拟微型扑翼飞行器仿真系统（VFMAVS：Virtual Flapping wing Micro Air Vehicle Simulator），并给出了相应的仿真结果。     

基于UML的飞行器动力学虚拟样机仿真建模研究

建模是虚拟样机系统的基础。本文论述了飞行器动力学虚拟样机系统飞行系统仿真模型库的组成和功能,并且应用可视化面向对象建模技术明确划分导弹飞行仿真模型库类库,应用标准建模语言UML(Unified Modeling Language)设计飞行仿真模型库的用例图、活动图、类图,提高了飞行仿真模型库的可重用性,并用于导弹动力学虚拟样机的研究。     

高超声速飞行器总体性能虚拟飞行试验验证系统

高超声速飞行器具有重要战略价值,但难以进行全程和整个飞行包络的真实飞行试验,基于仿真技术进行虚拟飞行试验是其总体性能分析与验证的必要手段。针对高超声速飞行器在飞行过程中总体、控制、气动、结构、动力、载荷、防热与热环境、飞行器运动学与动力学等多学科、多物理场强耦合特性,提出了高超声速飞行器高性能多物理场耦〖JP3〗合虚拟飞行试验平台体系结构,建立了高超声速飞行器多物理场耦合虚拟仿真试验模型,开发了基于高性能异构计算系统的多学科综合虚拟飞行试验系统,为实现高超声速飞行器的总体设计提供了可靠、实用的验证途径。     

高超声速飞行器再入段的动力学建模与仿真

高超声速飞行器的动力学建模对于进行控制系统的设计和仿真来说是非常重要的.与传统的飞行器相比,由于其飞行的速度和高度跨度大、变化快,高超声速飞行器的飞行动力学特性相当复杂.为了研究高超声速飞行器的一些本质的动力学特性,选择再入段进行分析,建立了再入段的高超声速动力学模型.利用风洞实验数据,建立了空气动力学数据库,并且对模型进行了不确定性分析.在模型的基础上,讨论了高超声速飞行器再入段的控制系统的设计方法.最后,在MATLAB/SIMULNK中进行了控制系统仿真,仿真结果表明在60公里到着陆点控制系统能够很好地控制动力学模型跟踪制导指令.     

一类新型飞行器的气动数据模型

基于一类新型飞行器特有的几何外形结构,详细分析了其侧滑飞行可以等效为无侧滑飞行这一性质,根据这个性质,建立一个该飞行器的气动数据模型,这样此飞行器的侧滑飞行空气动力学系数就可以由无侧滑飞行的空气动力学系数折算得到,而飞行器的空气动力学系数通常是通过风洞实验得到的,由此可以节省风洞实验及费用。详细推导给出了侧滑飞行的空气动力学系数由无侧滑飞行的空气动力学系数得来的计算公式,最后的仿真研究验证了模型的正确性。     

扑翼微型飞行器的动力学建模

对鸟和昆虫的飞行机理进行了有价值的探讨,并对扑翼式微型飞行器机体动力学和机翼空气动力学进行了详细的分析。由此分析得出结论:机体所受外力为空气动力、自身重力和机翼作用于机体的驱动力,而采用扑动与扭转两个自由度飞行的机翼所产生的机体驱动力就是由瞬时平移力和旋转循环力合成的瞬时空气动力,从而得出了相应的参数方程以及整机动力学模型。对所建模型的仿真结果表明,只要合理选择参数,各种飞行过程能得到很好的模拟。     

微型涵道飞行器的自适应逆控制方法

微型涵道飞行器可以悬停、垂直起降和前飞,且安全性高、结构紧凑、噪声低。但是,微型涵道飞行器由于大飞行包线、特殊气动布局、低速度、小尺寸和复杂飞行环境,所以具有明显的非定常和非线性飞行力学特性。针对这一问题,研究了应用动态逆控制律的新方法--神经网络自适应逆。采用动态逆控制器、神经网络补偿器、比例微分(proportion-derivative,PD)补偿器和伪控制补偿器构建了微型涵道飞行器飞行控制系统。仿真结果表明,相比动态逆 比例积分微分(proportion-integral-derivative,PID控制系统,本文设计的自适应逆控制系统具有更强的稳定性和鲁棒性。     

扑翼微型飞行器非线性H∞姿态控制

给出了扑翼微型飞行器姿态控制系统的数学模型,并提出了一种新颖的非线性H∞控制方法。飞行过程的复杂性使得姿态控制极具挑战性,主要困难是系统表现为非线性、时变参数以及各种干扰。为此提出了一种全局非线性H∞控制策略,系统控制综合是基于李亚普诺夫理论而非求解HJI偏微分方程。该方法克服了时变参数及未知干扰对系统的影响。证明了控制器的全局渐进稳定性并将其用于扑翼微型飞行器非线性H∞姿态控制系统的仿真,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

非定常大气扰动下的MAV自主飞行智能控制研究

针对在非定常大气扰动作用下,微型飞行器MAV姿态稳定控制与导航都不同于常规的问题。研究了MAV飞行中大气扰动类型特征,建立了完整的非定常大气扰动工程化模型体系。在此基础上,提出了一种融合专家技术与模糊技术的MAV自主飞行智能控制,并建立了一个Lyapunov能量函数来分析MAV自主飞行系统稳定性。飞行仿真与试飞结果表明,MAV自主飞行系统在全局范围内具有渐进稳定性。     

基于单目视觉的微型飞行器移动目标定位方法

针对目标在地形高度未知环境中移动的情况,给出一种利用微型飞行器机载单目摄像机进行目标定位的方法。首先,借助光流直方图从当前图像帧中提取出移动目标局部区域内的背景特征点|然后,结合机载微机电系统(micro electro mechanical system, MEMS)/ 全球定位系统(global positioning system, GPS)传感器测量的飞行器位姿和空间平面点成像的单应变换关系,在期望值最大化算法中将背景特征点分类为辅助平面点和非辅助平面点,并估计辅助平面到摄像机光心的距离参数和法矢量参数,从而确定移动目标所处辅助平面的空间平面方程|最后,联立求解目标视线方程和辅助平面方程获得交点坐标,转换到惯性系下完成移动目标的地理定位。实验结果表明,当微型飞行器飞行高度为100 m时,操作人员单次点击移动目标的定位误差在15 m以内。     

基于DoDAF的有人/无人机协同作战体系结构建模

有人/无人机(manned/unmanned aerial vehicle, MAV/UAV)协同作战是未来战场中重要的空中作战模式。由于MAV/UAV协同作战体系系统复杂、涉及作战节点多,需从系统工程的角度对整体作战体系进行顶层设计,并采用统一的结构框架对该体系结构建模。首先,引入美国国防部体系结构框架(Department of Defense architecture framework, DoDAF),提出一种体系结构快速开发方法,并给出开发步骤。然后,利用视图模型,对MAV/UAV协同作战体系的系统功能、作战任务活动、各作战节点的信息交互及组织关系等建立模型。最后,通过动态仿真对模型进行验证。结果表明,所提作战体系的执行状态与预期的作战流程一致,体系结构设计合理,系统内各作战节点定义及信息体系结构描述具备一致性和协调性。     

基于DoDAF的有人/无人机协同作战体系结构建模

有人/无人机(manned/unmanned aerial vehicle, MAV/UAV)协同作战是未来战场中重要的空中作战模式。由于MAV/UAV协同作战体系系统复杂、涉及作战节点多,需从系统工程的角度对整体作战体系进行顶层设计,并采用统一的结构框架对该体系结构建模。首先,引入美国国防部体系结构框架(Department of Defense architecture framework, DoDAF),提出一种体系结构快速开发方法,并给出开发步骤。然后,利用视图模型,对MAV/UAV协同作战体系的系统功能、作战任务活动、各作战节点的信息交互及组织关系等建立模型。最后,通过动态仿真对模型进行验证。结果表明,所提作战体系的执行状态与预期的作战流程一致,体系结构设计合理,系统内各作战节点定义及信息体系结构描述具备一致性和协调性。     

基于图像信息的微小型飞行器飞行测高方法

微小型飞行器飞行高度的实时测量是实现其自主飞行的关键技术之一。为了准确快速地获取微小型飞行器的飞行高度参数,提出了一种新的稳健的利用图像信息获取微小型飞行器飞行高度的方法。此算法首先使用光学理论和几何学理论推导出了飞行高度的计算公式,综合运用Harris角点检测算法和区域灰度算法得到图像间的匹配角点,并使用分割区域法得到图像之间的关键点。最后通过计算关键点在图像中的位移情况,计算出飞行器当前的高度值。飞行实验表明,这种测量算法可以实时获得飞行器的高度,精度满足飞行器平稳飞行的需要。

Abstract：

Flight height is one of key technologies for micro aerial vehicle （MAV） flight autonomy.In order to get the MAV flight height accurately and quickly,a new robust flight height measurement algorithm was proposed.In the algorithm,the height was deduced from optical theory and geometry theory,and a matching corner points set was obtained by Harris corner detector and regional gray method.And then,the key points were got using the segmentation area method.In the end,the current flight height was obtained by computing the displacement of the key points in the images.The flight experiment shows that flight height measurement is real-time,and it meets the stable flight control requirements for the MAVs.     

有人/无人机编队指挥控制系统结构设计

针对有人/无人机(manned aerial vehicle/unmanned aerial vehicle, MAV/UAV)编队指挥控制系统结构设计问题进行了研究。以未来空中作战为背景,结合MAV/UAV编队作战流程和特征,基于人机合作机制，设计了MAV/UAV编队协同三层递阶式指挥控制结构,分别为任务规划层、协调控制层和功能实现层。在此基础上,分析了系统结构中关键模块如辅助决策模块、人机交互系统、编队控制管理系统和航迹规划路径跟踪系统的内容。最后，设计了人机交互系统指挥界面,并针对典型控制任务进行了仿真验证。     

基于人机合作的有人/无人机编队队形变换策略

队形变换是有人/无人机(manned/unmanned aerial vehicle, MAV/UAV)编队飞行的关键技术,为提高编队队形变换效率并减轻飞行员操纵压力,设计了基于人机合作的MAV/UAV编队队形变换策略。首先设计了MAV/UAV编队控制系统,然后在UAV运动学模型基础上设计了一种以路径跟踪为主,速度调节为辅的MAV/UAV编队队形变换策略。通过将水平转弯机动与虚拟力相结合,并考虑实际情况中编队内碰撞问题,设计了一种改进虚拟力路径跟踪方法;根据MAV与各UAV之间的路径差,设计各UAV速度控制律,使得MAV与各UAV速度与航向角一致,从而实现编队队形变换。仿真结果验证了所提方法的有效性和实用性。     

基于Xsim平台的防空导弹武器系统仿真平台设计

以系统仿真技术在防空导弹武器系统的方案论证、优化设计、飞行试验预测、作战效能评估等方面中的应用为背景,提出了一种基于Xsim平台的防空导弹武器系统仿真平台设计方法。论述了该平台的总体架构设计、模型设计以及仿真流程设计,给出了设计思路。完成了某防空导弹武器系统仿真平台的应用开发,实践表明该平台可以较好的开展防空导弹武器系统作战过程仿真,可用于支撑防空武器装备各阶段的仿真工作,提升复杂战场环境下防空武器装备研发论证及设计能力。     

分布交互式战斗机空战仿真系统的开发

简要介绍了一种实时分布交互式战斗机空战仿真系统的开发。整个系统按照分层模块思想设计,对空战中战斗机关键子系统和关键行为进行了精确的数学建模,减少了建模的复杂度、保持了平台的开放性和可维护性,据此实现了局域网环境下的分布交互式空战仿真研究。初步的仿真结果表明系统具有实时、精确、高逼真度、高效费比的特点,可作为飞机设计和空战研究的重要辅助手段。