固定翼无人机视觉着降引导的合作信标设计方法

基于透视模型原理,提出了固定翼无人机视觉着降引导的合作信标设计方法。通过信标成像对引导精度的敏感性进行分析,得到了信标特征点间最小距离的设计方法。在无人机由远及近接近信标的过程中,进行视场边界的迭代计算,给出了特征点布置范围的设计方法。搭建了OpenGL视景仿真系统,在国际民航组织规定的二级引导精度及多种无人机飞行位姿条件下,进行了图像敏感性及信标捕获情况分析。测量结果表明,所提方法可保证合作信标设计满足图像敏感性要求,且该信标始终可以被完整捕获。     

基于激光测距的无人机地形匹配飞行方法研究

为了解决现有民用无人机在山区等复杂地形下难以实现地形匹配飞行的问题,分析了地形匹配飞行的技术难点,提出了一种基于激光测距的无人机地形匹配飞行方法;先运用基于最小二乘法的拟合模型提高激光测距模块的精度,再利用激光测距模块分别实时测得无人机与地面的相对高度和地形的起伏角度,结合DMC-PID串级控制算法,使得无人机可以自主实现地形匹配飞行;该方法无需昂贵的地形检测传感器和复杂的软件算法,具有设备重量轻,应用难度低等特点;通过实地飞行测试,验证了该方法的有效性和可行性。      

基于Agent的多无人机协同飞行通信技术研究

从Agent的两大优良特性--自主性和协同性出发,研究了在多无人机协同飞行中,采用多Agent思想的协同飞行通信技术。根据多无人机协同飞行的特点,设计了多Agent协同飞行的通信协议,多Agent间传递的信息以及信息的分享模式,分析了MAS间信息传递过程;最后,通过实例介绍和分析了MAS协调通讯的构建形式,实现了多无人机协同目标定位中的数据通信。实际飞行实验结果证明,该通信机制能够控制多架无人机同时飞行,提高了通信效率,验证了该方法的可行性和有效性。     

一种无线紫外光协助的无人机隐秘通信覆盖方法

建立机载无线紫外光非直视通信模型与无人机覆盖模型,引入三种相对虚拟力,提出一种基于相对距离的改进虚拟力覆盖算法控制无人机移动,仿真分析了不同场景下算法的性能以及紫外光通信角度对算法覆盖率影响。仿真结果表明,所提算法减小了无效覆盖以及重叠覆盖,相比随机部署算法、贪婪虚拟力算法和移动部署算法的覆盖率分别提高了18.33%,3.15%和1.83%,并减小了无人机的能量消耗。     

Monte Carlo方法模拟非直视紫外光散射覆盖范围

针对大气中紫外光散射通信的特点, 用Monte Carlo方法对紫外光非直视(NLOS) 通信三种工作方式的覆盖范围进行分析, 建立了基于Monte Carlo方法的NLOS紫外光传输模型.利用Monte Carlo模拟方法对三种NLOS散射方式的单次和多次散射路径损耗及覆盖范围进行模拟研究, 结果表明, 多次散射和单次散射的路径损耗基本一致, NLOS(a) 类全向发送全向接收通信方式覆盖范围最小但全方位性好, NLOS(b) 类定向发送全向接收通信方式的覆盖范围较大但有一定方向性, NLOS(c) 类定向发送定向接收通信方式的覆盖范围最大但有很强的方向性.     

无线紫外光MIMO通信线性注水功率分配方法

将无线紫外光多输入多输出(MIMO)通信与线性注水算法相结合,首先建立基于线性注水算法的无线紫外光非直视MIMO通信模型,并推导出其信道容量模型,然后在信号发射端采用等功率分配和线性注水算法两种方法进行功率分配,研究在无线紫外光非直视MIMO通信系统中采用这两种方法对通信系统中信道容量的影响,并进行仿真分析验证.仿真结果表明,在信噪比相同的情况下:当收发天线不对称时,采用线性注水算法进行功率分配相比于等功率分配算法,无线紫外光非直视MIMO通信信道容量得到显著提升;当收发天线对称,在信噪比较小时,利用注水算法可以明显提高信道容量,而在信噪比提高达到一定值后,采用注水算法进行功率分配的信道容量逼近等功率分配的信道容量.     

高空无人机自动加油对接过程轨迹控制研究

针对无人机在高空自动加油对接过程中容易出现偏差的问题,提出了无人机空中自动加油精准对接的优化控制方案,研究并分析了影响加油锥管与受油接口快速准确对接的主要因素,通过运动轨迹生成器对浮锚加油锥套的运动轨迹进行模拟,无人机的自动飞行控制系统根据轨迹跟踪曲线对无人机的飞行姿态进行调整,引导无人机的受油接口与加油锥管进行精确对接,整个飞行轨迹跟踪控制过程优化了复杂高空环境中无人机加油对接的精准性。通过仿真实验表明,本高空无人机加油对接引导方法提高了空中管口对接的速度与抗干扰能力,可以满足各种复杂高空环境的无人机加油任务。     

存在时延的分布式无人机编队控制方法

多无人机协同是未来无人机应用的重要方式,多无人机编队作为多无人机协同的重要技术和研究热点也已引起越来越多关注,分布式无人机相较于集中式具有灵活性好、鲁棒性强,对通信及计算机性能要求低等优点;针对无人机的非线性动力学模型,在有向固定拓扑的条件下,运用高阶一致性理论解决无人机系统的分布式编队问题;基于Lyapunov稳定性原理,利用线性矩阵不等式(LMI),分别得出在具有时变时延导数信息及无导数信息情况下的稳定性充分条件;最后,仿真验证了这种编队控制方法的有效性;研究结果表明,利用文章所提出的方法控制无人机编队飞行,在满足稳定性的前提下,无人机系统能够形成稳定的编队,并达到预期速度。     

基于VxWorks的小型无人机飞行控制软件设计

针对小型无人机功能日益复杂,迫切需要提高实时性与可靠性等现状,开发了一套基于VxWorks实时操作系统的小型无人机飞行控制软件,实现了无人机自主起飞、空中巡航和自主着陆等飞行控制功能;在完成软件需求分析的基础上,设计了飞行控制软件的总体结构,并结合VxWorks操作系统的运行机制给出飞行控制软件模块化设计方案,着重介绍了多任务环境下任务划分及优先级分配策略;半物理飞行仿真试验表明:该飞行控制软件能够实现自主、指令、人工3种飞行模式下的飞行控制功能,具有良好的实时性和可靠性,满足飞行控制软件最初的设计需求,同时大大降低了开发难度,提高了软件的可维护性和可移植性。     

三余度飞行控制计算机FlexRay节点通信设计

飞行控制计算机是飞行控制系统的核心组成部分,为进一步提高中小型无人机的安全可靠性,采用了软、硬件结合的三余度管理技术。首先采用模块化的设计思想,设计了系统三余度飞行控制计算机的硬件架构,包括串口、开关量、模拟量、CAN和FlexRay总线以及外扩SRAM等硬件资源;然后设计余度管理策略,该部分提出了软件表决和硬件仲裁两级余度管理思想;此外,为克服传统CAN总线负载量和通信速率等方面的不足,引入了FlexRay总线通信技术,并详细分析了总线通信数据流,设计了基于FlexRay的总线通信机制;最后进行半物理仿真实验,验证FlexRay总线通信功能,验证结果表明设计方案合理可行。设计的三余度飞行控制计算机硬件集成性高且易扩展升级,FlexRay总线通信功能也满足设计需求,具有很高的应用价值。     

Wireless ultraviolet light MIMO assisted UAV direction perception and collision avoidance method

In order to solve the problem of UAV’s direction perception and collision prevention in the limited radio communication environment, we use wireless ultraviolet (UV) communication as an auxiliary communication method in UAVs. We improve the traditional artificial potential field (APF) method, design a UV- MIMO model installed on the UAV, and propose the improved artificial potential field (IAPF) method. On this basis, the determination of the threat source direction in IAPF algorithm is further simplified, and the improved artificial potential field based on ultraviolet MIMO (IAPF-UVMIMO) algorithm is proposed. Experimental results show that IAPF effectively solves the problems of unreachable targets, path oscillations and local minimums that exist in the traditional artificial potential field method. In addition, IAPF-UVMIMO also improves the tolerance of the threat source direction. Compared with IAPF, the number of collisions with actual collision threats is reduced by 22.6%.     

基于DGPS航迹偏差的多旋翼无人机磁干扰检测技术研究

为了解决多旋翼无人机在飞行作业过程中受到环境磁干扰导致作业异常的问题,在使用DGPS进行差分定位的基础上,提出了一种基于航迹偏差的多旋翼无人机磁干扰检测技术。其基本原理是,当多旋翼无人机受到磁场干扰时,其飞行航迹会偏离预设航线,检测其航迹的偏离距离,通过与阈值比较,可以用来判断是否存在环境磁干扰。实验结果表明该方法可以有效检测环境磁场异常,在某些情况下比传统的磁航向角误差阈值检测方法可靠性更高,虚警率更小。综合使用航迹偏差检测方法和磁航向角误差检测方法,可有效（提高）环境磁场异常检测的准确度,降低虚警率。     

机载大功率半导体激光信标系统设计

为配合地面探测跟踪系统对飞行目标的探测,设计了一种以４０ Ｗ 紧凑型半导体激光器为光源、具有一定发散角的机载式单色信标系统。由于系统要满足机载平台加装体积小、质量轻、散热好的要求,设计了一体成型的鳍片式壳体结构,解决系统散热问题的同时,控制了整体质量。为实现在有限体积内,４０ Ｗ 单阵列光纤耦合半导体激光器模块所需的６０A 大电流恒流驱动,采用叠相调制技术和同步ＢUＣＫ 变换电路结构;为解决激光器在高空低温环境下输出光功率和中心波长能够稳定控制的难题,设计了数模混合双向温控系统。利用ＺEMAX 软件设计了双凹透镜组结构的扩束装置,实现了对激光发散角的发散和可调节。通过环境考核测试,系统在０℃～１５℃的低温环境下,输出光功率稳定度和波长控制精度均能满足要求。     

卫星激光通信均匀信标光的研究

采用信标光是完成卫星激光通信捕获过程的一种重要手段,信标光的远场分布对捕捉概率和捕获时间有较大的影响。为满足通信系统的性能要求,对信标的远场分布提出一定的要求是必要的。首先从理论计算的角度,分析了远场高斯分布信标光对卫星激光通信捕获过程的影响,认为在存在光束抖动的情况下,均匀信标光在捕获阶段具有明显的优势。基于多激光器合束技术,利用半导体激光器设计了一个能实现远场均匀分布的信标光模块。给出了模块结构,分析了均匀信标光产生的机理,并从理论上推导了该模块的远场光强分布表达式。实验表明,所研制的均匀信标光模块可出射功率超过3.8 W,不均匀度小于11%的远场均匀信标光,通光效率为54%,从而证明了所设计的信标光模块的可行性。     

复杂大气背景下机载通信终端与无人机目标之间的激光传输特性研究

云层、气溶胶和大气分子是大气环境的主要组成部分.本文基于逐次散射法求解辐射传输方程,建立了复杂大气背景下机载无线光通信终端与地空无人机目标之间的激光传输模型.考虑真实大气背景中卷云、大气分子和气溶胶存在的情况下,数值计算了1.55 mm激光经机载通信终端发出后通过大气背景的直接传输和一阶散射传输后接收功率随无人机目标高度的变化关系,分析了飞机在云上、云中和云下以及卷云冰晶粒子有效半径、飞机与无人机之间的水平距离对接收激光信号传输功率的影响.数值结果表明:激光通过卷云传输的功率很大程度上取决于飞机在云上、云下或云中的位置;飞机与无人机目标之间的水平距离和卷云冰晶粒子的有效半径对激光直接传输和一阶散射传输影响较大;与云上大气相比,云下的大气分子和气溶胶对激光有较大的衰减.本文工作可为进一步开展地空链路上复杂大气背景对机载与低空无人机目标激光通信实验、无人机编队、指挥和组网技术的研究提供理论支撑.     

多旋翼无人机地面控制站软件系统设计与开发

针对多旋翼无人机自主飞行实时监控需求,开发了一套完整的多旋翼无人机地面控制站软件系统。根据多旋翼无人机地面控制站软件总体设计分析,基于功能模块化思想,分别设计并实现了飞行监控、飞行任务管理、二维与三维结合的导航电子地图以及数据库技术等功能,为无人机的实时监控提供了有力保障。地面控制站软件系统的三个用户主界面简约美观,能够实时切换,便于地面操作员对无人机的飞行监管。最后,通过某型多旋翼无人机的飞行作业,对地面控制站软件系统进行了全方位测试。实验测试有效地证实了该地面控制站软件系统具有完善的监控功能,操作简便,完全满足无人机地面控制站需求,已经作为标配软件提供给用户使用。     

Gd靶激光等离子体6.7nm光源的实验研究

本文对Gd靶激光等离子体极紫外光源进行了实验研究, 在 6.7 nm附近获得了较强的辐射, 并研究了6.7 nm 附近光辐射随打靶激光功率密度变化的规律以及收集角度对极紫外辐射的影响. 同时, 对平面Gd靶激光等离子光源的离子碎屑角分布进行了测量, 发现从靶面的法线到沿着靶面平行方向上Gd离子数量依次减少. 进一步研究结果表明采用0.9 T外加磁场的条件下可取得较好的Gd 离子碎屑阻挡效果.     

“LPP-EUV”光源中的高功率CO_2激光监测与控制系统

为了满足激光诱导等离子体（LPP）体制下极紫外（EUV）光源对CO2激光器提出的稳定性需求,建立了简化的CO2激光传输系统模型,根据光束稳定性需求对光束功率、指向和位置的监测与控制方法进行了理论和实验研究。根据高功率CO2激光传输系统特点,在实验室内建立了上述光束监测和控制实验系统,包括光束功率控制模块、光束指向控制模块和光束参数监测模块,其中光束参数监测模块可实时测量光束功率、指向、尺寸及发散角等重要参数。仿真与实验结果表明：光束功率控制模块对线偏振激光功率的控制接近1%～100%,光束指向控制模块实现的光束指向稳定度在10μrad以内,可满足CO2激光驱动源的高稳定性要求。     

石英玻璃紫外波段折射率测量

 折射率是光学材料基本参数之一,采用直角照射法折射率测量原理,以光电瞄准法紫外光信号探测、气浮轴承构成精密测角仪角度精确测量、锁相放大器微弱信号检测、软件分析角度值与光强度变化的数据处理模型、计算机自动控制等手段,完成了一套光学材料紫外波段折射率测量仪,实现了光学石英玻璃紫外波段折射率自动测量,并实际测量得到了250 nm~450 nm波长下光学石英玻璃的折射率值。     

切比雪夫雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

雾霾天气已严重影响人们的日常生活,通过检测雾霾粒子的紫外光散射偏振特性可以有效分析雾霾成因。矿物粒子、灰尘粒子等雾霾颗粒均有小规模表面粗糙度的形态学特征,因此可用切比雪夫粒子作为模型分析。“日盲”紫外光与切比雪夫雾霾粒子相互作用发生散射,散射光偏振特性可反演切比雪夫雾霾颗粒物理性质(如粒子尺寸参数、复杂折射率、粒子形变、波纹参数)。采用紫外光单次散射模型和T矩阵方法,仿真分析切比雪夫雾霾粒子物理参数与散射光偏振特性(Stokes矢量和偏振度)之间的关系,结果表明：粒径对散射光Stokes矢量Is和Qs随散射角的变化趋势影响很大,粒子的粒径和复杂折射率虚部的变化会造成散射光偏振度随散射角的变化趋势的改变;具体分析散射角度为10°时,得到粒径对Is和Qs的数值影响最大,当粒径r<1 μm时,Is随粒径呈现抛物线趋势;切比雪夫粒子形变的增大,Is呈现先增大后减小的趋势。