先进飞行器综合控制技术实验室(IFFPC)隶属于北京航空航天大学自动化学院305教研室,致力于解决先进飞行器的综合控制技术、结构损伤飞行器可恢复飞行控制技术(Resilient Flight Control)、飞行器重心管理与主动重心飞行控制技术、以及微小型飞行器室内定位和飞行控制等应用技术。
飞行器的综合控制技术是近30年发展起来的一种控制与管理技术,是以先进的主动控制技术为基础,以飞行控制为核心,将飞行与火力、推进、雷达、武器管理、显控等多个关键子系统全机控制功能进行一体化、多学科综合设计,使飞机能最大限度地发挥其性能潜力,满足了总体性能和任务能力的需求,并减轻了驾驶员操纵负担。
早期的综合控制技术主要包括:
飞/推综合:降低飞机油耗、延长发动机寿命、增加作战半径、扩展飞行包线
飞/火综合:缩短瞄准时间、提高命中精度,减轻驾驶员负担
火/飞/推综合:高权限的空空、空地自动作战能力,极大提高飞机的作战效能
进入21世纪,随着飞行器全机系统性能提升以及无人化智能化技术的发展,综合控制技术已经从飞/推、飞/火、以及飞/火/推向飞行器管理系统(VMS)发展,即面向全机飞行关键系统物理/功能综合,以提升全机综合性能、可维护性。
飞行器主动重心控制技术是针对传统燃油重心被动调节方式的局限性提出的一项先进设计技术,该技术可在飞行过程中由燃油重心控制系统通过管理、转输燃油主动地调节重心位置,使重心按照期望的曲线变化或始终保持在期望值,实现飞机重心和气动焦点的合理匹配,实现飞机重心的高精度控制,使飞机的飞行性能和安全性能达到最佳。具体研究方向及内容包括:
基于燃油转输的先进主动重心控制方案设计
燃油重心实时快速计算
最佳重心选取及设计
高精度重心控制律设计
本团队近几年积极推动主动重心控制技术的理论研究及工程应用。结合先进战斗机、大型运输机等背景型号,设计了基于燃油转输的主动重心控制系统,并开发了重心计算与控制软件,包含油箱模型快速切分、燃油重心实时快速计算、重心控制律等功能模块,模块运行稳定,易用性好。另外,还设计了交互式可视化面板实现全面、清晰的仿真结果可视化演示环境,以直观的动态图表对飞行状态、飞机重量重心、油箱油泵状态、燃油转输控制律状态等进行可视化呈现。目前,该软件已交付主机所推广使用。
飞行器运行过程中环境的剧烈变化、强干扰、故障及损伤是导致飞机失控的重要因素,其中突发性结构损伤(Structural Damage)是所有失控情况中最为严重的一类,表现为质量/质心及气动特性的显著突变、控制模态特性异变以及纵向对称性等假设前提的失效。更为严重的是,如不能尽快稳定和恢复飞机的控制,将激发至大迎角、失速等非设计动态,进而导致飞机控制能力完全丧失。现有的飞行控制大多基于参数慢变假设进行设计,如何实现此类本体特性“显著突变”对象的“快速”镇定及控制能力“恢复”,是现代飞行控制面临的新问题。
可恢复控制是在自适应、鲁棒控制以及容错控制基础上提出的更进一步的控制思想,其要求控制系统不仅能适应变量级、参数级的变化,同时也能适应系统级的不确定变化。一个可恢复控制系统应具备对系统级不确定及干扰的感知能力,并能在强扰动甚至破坏性变化情况下保持一定的控制能力。
面向突发性结构损伤的可恢复飞行控制(Resilient Flight Control),旨在结合可恢复控制理念与飞行控制特殊问题,为结构受损等应急飞行状态提供可行的控制手段,最大程度保持其稳定并恢复其控制能力,以保证飞机的飞行安全。
微小型飞行器具有体积轻巧、便于携带、机动性能好等特点,可以在有限的空间内自主飞行,是未来室内动态监测、家庭娱乐的潜在方向,限制其广泛应用的难点在于如何实现精确的室内定位。一方面缺乏GPS信号支持,另一方面由于尺寸、载荷和计算能力的限制,一些复杂的定位设备(如激光雷达、视觉导航、RGBD相机等)目前无法应用于微小型无人机。目前室内定位多采用被动定位方法,即基于地面辅助设备(如定位相机、无线信号标识、超声波标识等),受成本和应用场合限制,难以广泛应用。
主动定位技术是只仅利用无人机自身传感器,实现自主的定位和导航技术,其具有不受应用环境限制,成本低等优点,应用更为广泛。