大方位失准角下舰载机快速传递对准技术

为解决舰载主惯导与机载子惯导之间大失准角问题,同时满足对准快速性的需求,提出了从舰载机进入弹射位置开始,到舰载机飞离甲板时间内,基于虚拟惯导(VINS),综合利用舰载主惯导信息、跑道航向信息以及激光多普勒测速仪(LDV)信息,利用速度匹配方法实现舰/机惯导传递对准的方法,并建立了传递对准误差模型。该模型利用舰艇坐标系与跑道坐标系之间的方向余弦矩阵,将舰载坐标系与机载坐标系之间的大失准角问题,转化为机载坐标系与跑道坐标系之间的小方位失准角问题。考虑弹射过程舰艇及舰载机的运动模型,利用数学仿真对传递对准误差模型进行了验证,并与UKF滤波方法进行了对比。仿真结果表明,该方法可以在8 s内实现舰/机惯导的传递对准,对准性能与UKF滤波方法相当,且对准过程不需要舰艇进行任何机动运动。     

基于对偶四元数的双星编队相对位姿测量

为了描述编队卫星中主从星的相对位置和姿态信息,提出了基于对偶四元数的编队卫星相对位姿测量算法。以双星编队飞行的位姿运动为主线,运用对偶四元数工具,充分发挥其能以最简洁的形式表示一般性刚体运动的优点,对卫星轨道和姿态进行分析并建立了对偶四元数位姿模型。同时设计类GPS测量技术来测量编队卫星的相对位置和姿态,该技术载波相位波长和伪码码元比GPS的更短,可获得更高精度的相对测量信号。由于状态方程和观测方程的非线性特征,使用UKF滤波来消除随机噪声对量测过程的干扰。实验结果表明,所设计的算法能够有效估计系统误差,卫星的位置误差和四元数误差收敛于零,验证了该算法的有效性。     

无人机动平台着陆惯性/视觉位姿歧义校正算法

针对无人机移动平台着网回收应用场景,提出了一套基于二维码的惯性/视觉位姿估计算法,重点解决无人机回收过程中位姿解算歧义问题,提升无人机动平台回收导航精度、鲁棒性与实用性。首先,设计多个二维码构建非共面二维码序列,使用非共面3D-2D点对打破位姿解算特征点的共面约束。然后,使用极小平面位姿估计算法(IPPE)进行平面二维码位姿估计,并融合惯性信息引入姿态约束,解决无人机着网回收过程中的相对位姿解算歧义问题。多架次飞行实验表明所提出位姿估计算法能有效消除位姿解算歧义,具有较好的鲁棒性,且作用距离大于30 m,回收末段达到厘米级定位精度,满足无人机动平台着网回收需求,具有较好的应用前景。     

基于低成本IMU的捷联航姿系统软件设计与实现

在已设计好的捷联航姿系统硬件平台基础上,集传感器信息处理模块、航姿解算模块和信息融合模块于一体,综合设计了基于低成本IMU的捷联航姿系统软件算法.特别是在信息融合模块中采用了基于模糊推理的变加权系数多传感器信息融合算法,从而实现对惯性数据的融合,减小了系统随时间积累的航姿误差,保证航姿系统的精度指标满足要求(静态航姿精度±1.0°,动态航姿精度±2.5°).软件算法的验证采用低成本MT9-B惯性测量组件的实测数据分别进行了静、动态实验.实验结果表明,所设计的软件算法可时实进行低成本陀螺的零偏估计与补偿,并能准确地进行多传感器信息融合,从而能够有效地提高系统的航姿精度.     

基于灰色模型和改进粒子滤波的无人机视觉/INS导航算法

为了提高无人机视觉/INS组合导航系统的位姿估计精度,提出了一种基于灰色模型和改进粒子滤波的无人机视觉/INS导航算法。首先,针对视觉传感器数据易受外界因素干扰的问题,利用灰色预测理论建立基于视觉的位姿解算数据灰色模型,减小视觉解算数据误差对导航精度的不利影响;然后,引入萤火虫算法改进粒子滤波的重采样过程,并采用改进后的粒子滤波算法实现并提升视觉/INS组合导航系统的位姿解算精度。最后,自主搭建了四旋翼无人机实验平台。实验结果表明,采用扩展KF滤波的无人机组合导航算法将位姿估计的误差控制在3.2 cm内,所设计算法可以将误差控制在2.3 cm内,无人机位姿估计精度水平提高了39%。     

紧耦合INS/视觉相对位姿测量方法

研究了一种紧耦合INS/视觉相对位姿测量方法在无人机自主空中加油中的应用。该方法直接将特征点的图像坐标作为滤波器输入,避免了求解复杂的非线性位姿方程,尤其是特征点提取不全时,该方法具有较强的鲁棒性。引入相对惯导误差建立了增广状态模型,根据杆臂效应详细推导了紧、松两种耦合模式的量测方程。采用扩展卡尔曼滤波算法估计误差状态,并校正惯导输出获取精确的相对位姿信息。仿真结果表明,与松耦合模式相比,紧耦合在提高系统实时性的同时可获得更高的测量精度,位置误差小于0.1 m,姿态角误差小于3'。     

大方位失准角下舰载机传递对准技术

为了提高舰载机的生存能力、快速反应能力以及机载导弹的命中率,必须快速准确地完成舰载机惯导系统的初始对准.由于舰船所处的环境比较复杂而且受到诸多干扰因素的影响,通常采用传递对准方法来解决舰载机惯导系统的初始对准问题.针对大方位失准角下舰载机惯导系统的传递对准问题,详细推导了速度加姿态匹配传递对准的非线性模型,然后采用UKF滤波算法进行数学仿真.仿真结果表明,舰船在中等海况下的不同机动运动对传递对准基本没有影响;采用不同频率的UKF滤波算法,则在20 Hz时传递对准误差较低频时小一倍.     

基于多传感器信息融合的双足机器人自主定位

针对单目视觉SLAM应用于双足机器人过程中易出现跟踪失败和传统位姿传感器累积误差较大的问题,提出了一种融合三种传感器信息的机器人定位方法。首先获取机器人关节编码器数据,运用运动学求解输出位置信息,再由基于特征识别的SLAM系统估计机器人头部单目相机位姿,经过尺度恢复和坐标系校正后输出位置信息,同时获取惯性测量单元的偏航测量,最后通过扩展卡尔曼滤波算法融合三种信息,从而更加精确稳定地对机器人进行定位。以双足机器人NAO为研究平台,在室内进行多组实验对所提出的方法进行验证,结果表明融合所得结果与传统位姿传感器输出信息相比,均方根误差明显降低;相比单目视觉SLAM跟踪失效率至少降低88%。     

基于Simulink和FlightGear软件的机载惯性测量单元仿真

包含动力学和运动学特性的机载IMU数据对于飞行对准等惯性系统算法研究具有重要意义。基于人在回路仿真的思想,设计了一种可包含完整飞机模型,不需要设计特定的自动驾驶仪,来实现任意机动下机载惯性测量单元仿真的方案。给出了惯性测量单元仿真模型,设计了基于Simulink、AeroSim模块集及FlightGear模拟飞行软件的新方案,实现了一个机载惯性测量单元的仿真模型,该模型采用飞行摇杆,由人实现对飞机的控制和机动飞行。仿真结果表明,采用该仿真方案,避免了复杂的自动驾驶仪设计,可以得到机动飞行条件下的机载惯性测量单元仿真数据和导航参数基准数据,方案切实可行。     

舰载机捷联惯导自对准方案设计与仿真

舰船因风浪影响而产生大幅摇摆,使陀螺测量到的地球自转角速度信噪比大幅度下降,从而给舰载机的初始对准带来困难.针对这一问题,提出了利用惯性空间中地球重力加速度信息的捷联惯导自主粗对准方法,以及基于模糊自适应卡尔曼滤波的自主精对准方法.粗对准算法中采用了惯性凝固假设,建立了载体惯性坐标系,使舰载机相对坐标系的姿态阵初值成为单位阵,并将姿态阵分散为四个矩阵求解;考虑了舰载机的地理信息、地球的自转、对准初始时刻舰载机相对地球的相对位置,及舰载机相对系的姿态变化等信息,使姿态更新解算成为可能,从而隔离了舰船晃动.精对准中设计了一种模糊自适应卡尔曼滤波器,有效抑制量测中含有的不确定性干扰.理论分析和仿真结果表明,该运动基座上捷联惯导自对准方法能有效地解决舰船系泊和等速航行状态下舰载飞行器的初始对准问题.     

飞机起落架着陆撞击动力分析

根据现有沿－气式缓冲器结构形式,针对模拟起落架着陆撞击过程的落 震试验模型,考虑起落架航向刚度和阻尼的影响,依据撞击过程中各变量间的运动关系,建立了描述着陆过程中的运动微分方程组,并采用龙格库塔法对运动微分方程组进行求解。最后采用该方法对Ｋ８飞机主起落架（单腔）和某机起落架（双腔）落震试验过程进行了模拟,并与试验结果进行了比较,发现计算结果与试验结果吻合较好。     

考虑空气阻力和地球自转的远程抛射体的研究

针对地球表面坐标系计算远程抛射体落地时间和位置的不足,通过两种方法获得远程抛射体的落地信息. 首先通过在地球表面建立空间直角坐标系计算出考虑空气阻力和地球自转情况下任意抛射角的抛射体的解析解,然后获得了在地球表面所建立的空间直角坐标系与地心坐标系的转换关系式,以抛射体与地心的距离为地球半径作为落地点的条件来计算落地时间和落地位置. 另外,采用球面坐标系表示抛射体的位置、速度及加速度,通过数值计算方法获得抛射体的落地信息. 两种方法所得的结果比较接近,因此两种方法来获得远程抛射体的落地信息都是可行的.     

伪卫星/惯性飞机自动着陆导引技术

为进一步提高飞机精确进场着陆导引能力,减少着陆事故的发生,研究了基于伪卫星/惯性组合的自主着陆导引技术.在研究伪卫星布局与数量、时间同步等问题的基础上,利用伪卫星区域定位系统（RPS）与惯性导航组合的定位技术,不仅精度高、工作连续可靠,而且抗干扰能力强.仿真结果表明了该技术的可行性,对保障航行安全具有重要的意义.     

惯性／DGPS精密进场着陆引导系统

为确保飞机精确直线飞越预定点上空并具备精密进场着陆引导能力 ,研制了机载惯性 /DGPS精密进场着陆引导系统。该系统通过综合技术将惯性导航系统与差分 GPS有效组合 ,不仅定位精度高、工作可靠 ,而且输出信息实时、连续 ;通过着陆引导轨迹及引导画面的精心设计 ,为飞行员提供图形化的、精确安全的进场着陆引导信息 ,引导飞机至决断高处 ,从而解决了飞机全天候尤其是在复杂气象条件的进场着陆引导问题。本文介绍了该系统的方案、组成、系统特点、技术难点以及试飞结果。试飞中飞行员反映该系统精度高 ,引导画面图形直观 ,操作简便 ,能满足复杂气象条件下的进场着陆引导要求     

Transverse Elastic–Friction Vibrations of a Running Aircraft

An analytical model of the plane-parallel running of an aircraft under crosswind load is proposed. The compliance of the internal constraints of the aircraft and the nonlinearity of the side force on the landing gear wheels are taken into account. The model is intended to study the transverse elastic friction vibrations of the aircraft hull and landing gears. The steady motion of the aircraft is considered. The dependence of the lateral friction force on the slip angle is assumed to have the form of a sinusoidal segment. The Routh–Hurwitz instability conditions are derived in an explicit form     

Numerical continuation analysis of a three-dimensional aircraft main landing gear mechanism

Nonlinear Dynamics - A method of investigating quasi-static landing gear mechanisms is presented and applied to a three-dimensional aircraft main landing gear mechanism model. The model has 19...     

Stress-strain state of ice cover during aircraft takeoff and landing

We consider the linear unsteady motion of an IL-76TD aircraft on ice. Water is treated as an ideal incompressible liquid, and the liquid motion is considered potential. Ice cover is modeled by an initially unstressed uniform isotropic elastic plate, and the load exerted by the aircraft on the ice cover with consideration of the wing lift is modeled by regions of distributed pressure of variable intensity, arranged under the aircraft landing gear. The effect of the thickness and elastic modulus of the ice plate, takeoff and landing regimes on stress-strain state of the ice cover used as a runway.     

基于INS/ILS/RA组合导航的自动着陆系统

针对民航机精密进近着陆过程容易受地场环境、电磁干扰等空间噪声和接收机噪声的影响,对波束误差信号进行滤波相位滞后的问题,提出基于INS/ILS/RA组合导航的自动着陆系统(ALS)。该系统将仪表着陆系统(ILS)及无线电高度表(RA)和惯性导航系统(INS)输出的位置之差作为量测,运用卡尔曼滤波器进行估计,将组合导航系统的输出航迹角及纵向轨迹角替代波束偏差,分别送入横纵向控制回路。仿真结果表明,INS/ILS/RA组合位置解算方位角偏差精度优于0.3°,下滑角偏差精度优于0.2°。该系统可显著改善波束误差控制信号的动态品质,降低噪声影响,提高ILS自动进场着陆控制回路的稳定性和闭环性能。     

水陆两栖飞机波浪水面上降落耐波性数值分析

在规定的气象水文条件下,水陆两栖飞机起飞和降落的能力是决定其性能的重要因素,即耐波性能。采用ALE方法对流体域进行描述,运用基于微幅波理论的动边界数值造波方法模拟了不同波高和不同波长的动态海平面波浪,通过添加质量阻尼的消波方法抑制了固壁边界反射波对造波结果的影响,并采用罚函数耦合方法描述飞机与水体的耦合作用,研究了水陆两栖飞机在不同海情条件下波浪面上降落的纵摇运动、升沉运动以及底部压力等运动学和动力学特性,分析了水陆两栖飞机入水波浪的波长及波高对水陆两栖飞机耐波性能的影响,为飞机结构设计、水上降落操作规则制订及水陆两栖飞机耐波性物理水池试验提供参考。     

Stochastic optimal control of flexible aircraft taxiing at constant or variable velocity

Active control landing gears are used to alleviate vibration during aircraft taxiing. A nonlinear stochastic dynamics model is established, considering the aircraft body pitch movement and elastic vibration excited by the random runway. The equivalent linearization method is adopted to ensure the model linearity near the balance point, and the Gaussian random process of the runway is generated from the Gaussian white noise using a shape filter. Based on the stochastic optimal control theory, the LQG controller is designed along with weighted quadratic performance index for a better ride comfort, shock absorption, road holding and least energy expenditure. The algebraic Riccati and Lyapunov equations are solved to obtain stationary response while taxiing aircraft at a constant velocity and the differential Riccati and Lyapunov equations are solved to obtain the nonstationary response while taxiing aircraft at a variable velocity. The aircraft dynamic responses are obtained through the runway random process modeled by Monte Carlo method. Simulation results show that active control landing gear can give a better ride comfort, shock absorption and road holding performance no matter whether taxiing is at constant or variable velocity.