一种用于飞行器的法向力/俯仰力矩实时感知系统及方法

技术领域

本发明属于人工智能飞行器设计技术领域，具体是一种用于飞行器的法向力/俯仰力矩实时感知系统及方法。

背景技术

飞行器在大迎角飞行状态下其复杂绕流流动会导致非指令运动出现，这严重影响了飞行器的操纵性与飞行安全。为了在高机动、大迎角飞行中精确控制姿态，并对危险飞行工况实现预判，就需要获取精确的大迎角气动力模型，而现有以惯性元件为核心的机载设备无法直接提供非定常气动力参数，常常导致测量与控制系统响应存在误差和时滞，造成严重的后果。

随着未来对高性能高隐身无人机需求的不断提高，传统有人机上的传感设备和飞行控制系统已无法满足使用需求。虽然“电脑”比“人脑”的运算速度更快，反应时间更短，但是无人机的飞行控制系统更加依赖高精度、高可靠性的传感设备和控制算法，也需要大量的数值模拟、仿真以及风洞试验构建数据库，对感知系统和控制算法进行验证，从而为无人机在极端飞行条件下的流场感知、姿态感知和运动预测提供技术依据。

当前针对飞行器飞行过程中气动力/力矩智能感知方法较少，对此研究还处于起步阶段，比如，公开号为CN111156995A的中国发明专利申请，公开了一种基于飞行状态感知的智能飞行器及飞行方法，该方法仅判断飞行器滚转力矩及其运动趋势，未涉及其他方向气动力/力矩的智能感知系统及方法，仍存在需要完善的方面和未解决的问题。所以完善飞行器气动力智能感知系统及方法，有利于保证飞行器大迎角飞行安全。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于飞行器的法向力/俯仰力矩实时感知系统及方法，该系统和方法能够提高飞行器气动力/力矩智能感知和危险预警能力。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于飞行器的法向力/俯仰力矩实时感知系统，包括翼面压力测量模块、供电模块、气动力智能感知模块和无线信号传输模块；

所述翼面压力测量模块用于采集飞行器背风区沿翼展方向的特定稀疏点位置的压力信号并实时转化为数字信号，传输至气动力智能感知模块处理；

所述供电模块包含用作供电的锂电池及电源接线；

所述气动力智能感知模块包括计算中心和输出端，计算中心实时处理和解算接收到的翼面压力测量模块的数字信号，与数据库中极限状态结果进行比对，通过输出端实时解算飞行器法向力/俯仰力矩，基于无线信号传输模块向飞行员提供安全预警信号或向无人机飞行控制系统提供实时法向力/俯仰力矩信息。

进一步的，所述飞行器是具有固定翼特征的飞行器。

更进一步，所述飞行器的机翼采用常规布局、鸭式布局或三角翼布局。

进一步的，所述翼面压力测量模块单独或组合使用。

进一步的，所述翼面压力测量模块通过机械固定或粘接的方式安装在飞行器内部。

进一步的，所述翼面压力测量模块采用表面孔式压力传感器或光学压力传感器测量特定稀疏点位置的压力信号。

基于上述系统的用于飞行器的法向力/俯仰力矩实时感知方法，包括以下步骤：

步骤1)基于翼面压力测量模块获得飞行器背风区特定稀疏点位置压力信息，测量获得飞行器当前空速、飞行状态和绕流状态；

步骤2)将翼面压力测量模块转化后的数字信号传输至气动力智能感知模块，求解得到飞行器法向力和俯仰力矩，基于受力状态估算得到飞行器运动的加速度，并与风洞试验所得的数据库和危险阈值进行比对，判断飞行器在大迎角飞行条件下是否存在失速和俯仰振荡危险；

步骤3)将气动力智能感知模块的气动力解算结果和危险预判结果通过无线信号传输模块发送至飞行控制中心，用于保证飞行安全。

进一步的，所述步骤2)中数字信号结合各个测压传感器所对应的表面特定稀疏测压点局部参考面积s以及特定稀疏点位置到力矩参考点距离b计算飞行器法向力F

飞行器法向力/俯仰力矩状态具体表示为：

其中，p

进一步的，所述步骤2)中估算飞行器运动的加速度包括估算飞行器的法向运动加速度和俯仰角加速度，具体方法为：对飞行器的飞行器背风区沿翼展方向的特定稀疏点位置的表面压力进行积分得到法向力F

其中，

进一步的，所述步骤3)中，将气动力智能感知模块的气动力解算结果和危险预判结果通过无线信号传输模块发送至飞行控制中心，包括通过无线信号传输模块向驾驶员及时提供预警信号，或形成反馈信息，传输至无人机控制中心调整飞行器的迎角和空速。

本发明公开的一种用于飞行器的法向力/俯仰力矩实时感知系统及方法，具有自主测量、自助解算、自主预警的能力，能够在飞行器受到突变阵风的情况下及时预测飞行器运动趋势，给飞行员发出警示信号(闪烁亮光及警示音)或给飞行控制中心提供气动状态和控制反馈信息。

附图说明

图1是本发明一个实施例中飞行器的结构以及背风区特定稀疏点压力测量位置示意图；

图2是本发明的一种用于飞行器的法向力/俯仰力矩实时感知系统工作流程图；

图3是本发明一个实施例中通过表面压力积分感知得到的法向力与天平测力比对的实验结果图；

图4是本发明一个实施例中通过表面压力积分感知得到的俯仰力矩与天平测力比对的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种基于壁面压力信息的流体推力矢量喷管射流矢量特性实时感知方法进行详细说明。在本发明描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，侧壁板、倾斜Coanda壁面等不代表对本发明的限制。本实例中采用的具体尺寸和壁面布置方案只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明公开了一种基于表面压力信息的飞行器法向力/俯仰力矩实时感知系统及方法，包括翼面压力测量模块，供电模块，气动力智能感知模块，无线信号传输模块。

翼面压力测量模块具备独立采集、独立压电转化和独立发送功能，能够单独使用或组合使用。通过机械固定或粘接的方式，可以安装在飞行器内部。本实施例中的飞行器一般是具有固定翼特征的飞行器，包括常规布局、鸭式布局和三角翼布局。

测量模块包括一定数量的表面孔式压力传感器或光学压力传感器以及内嵌式处理器，基于这些传感器测量得到特定稀疏点位置的压力信号，内嵌式处理器将压力信号转化成数字信号，本实施例优选表面孔式压力传感器，测量不同迎角状态下的压力信号。

如图1所示，翼面压力测量模块包含的压力传感器被分布式安装在飞行器背风区沿翼展方向的特定稀疏点位置1，通过压电转化处理后，传输至气动力智能感知模块处理，气动力智能感知模块结合其他大气参数实时处理和解算接收到的数字信号，与数据库中极限状态结果进行比对，通过输出端实时解算飞行器法向力/俯仰力矩，基于无线信号传输模块给飞行员提供安全预警信号或给无人机飞行控制系统提供实时法向力/俯仰力矩数据。

本发明还公开了一种基于表面压力信息的飞行器法向力/俯仰力矩实时感知方法，步骤如下：

步骤1)通过翼面压力模块获得飞行器背风区沿翼展方向的特定稀疏点位置的压力p

步骤2)将数字信号传输至气动力智能感知模块，结合已经输入系统中各压力传感器所对应稀疏测压点的局部参考面积p

其中，p

步骤3)将气动力智能感知模块的气动力解算结果和危险预判结果通过无线信号传输模块发送至飞行控制中心，用于保证飞行安全。

通过公式(1)和(2)，可以积分得到基于表面压力测量的飞行器法向力和俯仰力矩，再通过下列公式来求解实时的法向运动加速度和俯仰角加速度：

根据所计算的飞行器法向力和俯仰力矩，再求解实时的法向运动加速度

其中，

将实时解算的飞行器法向运动加速度

如果飞行器法向运动加速度

如图3和4所示，为通过表面压力测量得到的法向力系数和俯仰力矩系数与天平测力的法向力系数和俯仰力矩系数对比的实验结果图，用于地面标定该套系统气动力和力矩感知方法的可行性。

通过上述公式(1)得到飞行器基于表面压力信息求解得到的法向力系数，即图3中半实心菱形标记的曲线。同时，在地面风洞标定试验中，还通过杆式天平同步测量了飞行器模型真实的法向力系数，即半实心方形标记的曲线。可见二者变化趋势相吻合，幅值大小接近，其相关系数高达0.99。

通过上述公式(2)得到飞行器基于表面压力信息求解得到的俯仰力矩系数，即图4中实心菱形标记的曲线。同时，在地面风洞标定试验中，还通过杆式天平同步测量了飞行器模型真实的俯仰力矩系数，即实心方形标记的曲线。可见二者变化趋势相吻合，幅值大小接近，其相关系数高达0.96。

由此可见，基于表面压力测量的飞行器法向力和俯仰力矩可用于求解法向运动加速度和俯仰力矩加速度，以用于安全预警。

基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。