基本信息
- 项目名称：
- 智能自主控制飞翼布局无人机验证系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 该作品采用新型“W”无尾飞翼布局，控制舵面由十组互为独立的分布式控制舵面构成，其中四组舵面组成新型分裂式阻力方向舵。作品主要由无人机机体、动力系统、起落装置以及智能飞行导航控制系统组成。具有良好的开放性，为用户提供较好的飞行实验与验证平台，在实验教学、国防建设与民用航空领域均具有较强的应用与发展前景。
- 详细介绍：
- 本作品采用“W”型式飞翼气动布局，飞翼气动布局具有其独特的气动优势，现代飞行控制系统的快速发展使得这类布局在有人机和无人机上运用越来越广。飞翼布局自然安定性比常规布局飞机差，这对飞行控制方式、飞控系统以及核心控制算法提出巨大挑战。本作品针对飞翼布局飞行器的气动设计及其飞控系统，自主设计并制作了飞翼布局无人验证机，并完成飞行实验、飞行参数实时采集、模型辨识以及自主飞行控制系统的研发工作； 飞翼翼剖面使用反弯度翼型以增加纵向静稳定性和设计状态附近俯仰力矩接近零的自配平能力。飞翼布局无垂直尾翼和传统的方向舵，航向稳定性趋近中立稳定，航向控制方式采用新型的阻力方向舵控制。该舵面配置在距离飞机对称面较远位置，靠近翼梢。当单侧上下舵面张开一定角度时，作用在飞机上的非对称阻力将产生偏航控制力矩；当飞机左右两侧的阻力方向舵同时上下张开较大角度，可增加飞机气动阻力，起到减速效果，可参与飞机速度控制，如空中加油减速控制、进场降落减速控制以及降落接地后滑行时作为减速板使用。 本作品开发了MIMU/GPS/磁强计微型组合导航系统，对GFMIMU/GPS 组合导航信息融合技术进行了研究，运用了基于模型误差预测的扩展卡尔曼滤波MEP-EKF方法。在AHRS，运用了模型预测卡尔曼滤波算法，这种对AHRS的扩展卡尔曼滤波可以实现对连续的非线性动态系统的状态进行估计，并结合四元数法通过已测得的参数可以较精确的实时估计出飞行器的姿态角，并通过三轴磁力计所测得的磁偏角以及三轴温度计测得的温度对姿态角进行校正和补偿，进一步缩小姿态角误差，从而提高控制系统的控制精度和控制效率。 本作品的数据处理核心采用PC104模块，DSP采集的信号通过串口传输给PC104，PC104在存储PWM信号的同时将采集到的飞行姿态信息进行处理，在线解算控制律，并产生PWM波控制舵机，从而实现对飞行器的控制，下图为控制系统硬件构成，PC104作为机载数据处理及控制核心，对飞机进行配平、姿态控制和航向纠偏。 选用Visual Basic作为地面站开发软件，飞机上的无线数传系统实时地将飞机姿态、舵偏角、飞行速度、高度、GPS信息传输到地面站，地面站再将所有数据进行汇总、显示，工作人员可以在地面站设定各种参数将设定值通过无线数传设备发送到机载控制系统，实现对飞机进行操纵、控制以及航路规划，同时地面站还要监控飞机上控制系统是否工作正常，如出现故障应立即报警并切换到手动遥控状态。 本作品研制了一套功能齐全，操作简单，使用方便的智能飞翼布局无人机系统，为智能无人机系统设计者和核心算法研究工作者，提供飞行验证和调试的试验平台，将为系统的研制节约成本，缩短周期。 目前本系统功能还在不断扩展完善，本团队正在无尾飞翼布局无 人机的全自主起飞、降落回收、UAV多机编队任务飞行、UAV中继、UAV舰载起降等方向继续进行深入研究。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 针对具有高气动效率、低雷达反射面积RCS的无尾式飞翼气动布局飞行器在其自然飞行品质较差以及操控性不足等缺点，设计一种综合控制系统，具备较好的开放性，主要供使用者验证各种先进控制算法、新型组合导航技术以及新型多操纵面分配管理与余度重构控制技术。基本思路：（1）研究飞翼布局飞行器气动特性，通过多学科综合优化MDO设计方法，使用多目标优化和多属性决策综合优化气动、结构和强度等方面的综合性能。利用CATIA、CFX等辅助设计软件，设计并制作具备10个操纵面的无尾式飞翼气动布局飞行器。（2）针对飞翼气动布局飞行器在其自然飞行品质较差以及操控性不足等缺点，设计综合控制系统。创新点：（1）本作品内部空间较常规布局飞机增大20-30%；全机升阻比提高25-30%。提高了续航时间、航程和有效载荷；降低能源消耗、减少大气污染、降低噪音污染等。（2）使用多操纵面分配技术提高舵面效率与可靠性, 在很大程度上增加了飞行控制系统的控制冗余，提高了飞机的控制能力。主要技术指标：飞机机长1080mm，翼展2769mm，机高380mm；任务仓空间：500mm×200mm×130mm；（13L）正常起飞重量10kg，机载燃油重2.5kg，机载设备重量3kg；巡航速度：25-40m/s；航时2h；航程200km；姿态控制精度±0.5°；导航精度±10m。
科学性、先进性
- 本作品相对于常规布局的飞机机体内部空间增大20-30%，升阻比提高25-30%，提高飞行器的续航时间、航程和有效载荷、降低能源消耗、减少大气污染、降低噪音污染等。独特的飞行控制设计：由于没有常规水平和垂直尾翼，飞翼布局飞机只能依靠多个操纵面（包括创新作动面）来实现稳定与控制—机翼和机身后缘上设计有众多的操纵面。通过数字飞控系统计算机，控制一个或多个伺服舵机驱动各个操纵面。飞翼飞机的操纵响应是非线性和高度耦合，所有操纵面均保持活跃状态。新型多操纵面分配管理与余度重构控制设计：高技术挑战的飞行控制系统软件里的舵面控制分配问题，飞行控制余度与重构技术。基于MEMS 仪表的惯性组合导航系统：基于MEMS 仪表的惯性组合导航系统是飞行器实现轻小型化的关键配套设备之一。作品开发了MIMU/GPS/磁强计微型组合导航系统，运用了基于模型误差预测的扩展卡尔曼滤波MEP-EKF方法对GFMIMU/GPS 组合导航信息融合技术进行了深入研究。
获奖情况及鉴定结果
- 2010 年“雪野湖”杯科研类全国航空航天模型锦标赛《无尾布局飞机阻力舵动力学设计与验证》国家二等奖
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 有偿转让
作品可展示的形式
- 实物 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- （1）新型“W”无尾飞翼式气动布局，隐身特性良好，雷达反射截面积低；（2）高升阻比，全机升阻比较常规布局无人机增加25-30%，提高无人机的续航时间、航程及有效载荷；降低能源消耗、减少大气污染、降低噪音污染；（3）较大的容积率，机体内空间尺寸与常规布局无人机相比可提高20-30%；（4）低翼载荷，高机动性能以及较高的实用升限。（5）新型“开裂式阻力方向舵”设计，独特的飞行控制方式，且具有控制耗能少，减少常规方向舵和垂尾产生的废阻的优点；（6）10组分布式多操纵面设计，舵面分配管理方式灵活，控制效率及冗余度与常规布局无人机相比明显提高，实现小型无人机的多余度控制功能。（7）基于DSP控制器的24通道飞行参数实时采集系统； （8）基于PC104的具备可供二次开发的模块化飞行控制管理系统； （9）机器学习方法提高控制精度，具有一定智能，可缩短研发周期，减少研发经费。
同类课题研究水平概述
- 目前国外对新型气动布局的研究远远多于国内。尤其是在对BWB（飞翼式翼身融合体气动布局）的理论与实际运用研究更为广泛。美国Boeing公司在X48B/C等飞机项目上的投资力度大，飞机设计理论上面有很大突破，飞行控制方面所采用的控制算法则是缄口不言。缩比的模型已经成功试飞100多架次。从媒体公布的消息得知，BWB布局气动效率潜力巨大。但是气动方面的优势给飞行控制系统的设计与运用带来巨大挑战。国内对这类飞行器的研究有了一些突破，从前几年的纯理论研究迈入了实际运用行列。但是绝大多数都停留在较为单一的学科领域的运用。军用、民用方面比较少，仅有的运用也基本采用国外现成的简单的小型飞控系统，缺乏真正属于自己的核心技术。严重影响市场推广。本无人机系统是我们团队全自主研发，从气动外形设计到详细结构设计、从飞机控制仿真到控制程序编写、从飞机硬件构架到控制系统软件开发，均有团队成员协同完成。本飞翼布局无人机飞行控制系统设计与实现中，我们运用多种控制算法设计飞行控制系统：包括（1）经典的PID算法；（2）模型预测控制加机器强化学习方法对无人机进行控制率设计、控制系统仿真、搭建飞控系统硬件平台、编写飞行控制系统程序，并进行验证试飞飞行，完成了飞行调参和数据采集等工作，获得了宝贵的飞行实验数据。目前本系统功能还在不断扩展完善，在全自主起飞、降落回收、无人机多机编队任务飞行等方面发展前景较好。
