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机械工程学报 2025年第2期61卷 338-345页

作者：尚耀星姜超凡于天李瑶王业硕焦宗夏北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学飞行器控制一体化技术国家级重点实验室北京100191 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院北京100191 北京航空航天大学宁波创新研究院宁波315800

液压缸在航空航天、工程机械等领域的轻量化有着很大潜力,其中碳纤维替代金属就是重点方向之一。以往碳纤维液压缸纤维增强层的设计大多基于工程经验,缺乏正向设计方法,由于碳纤维增强层的强度和刚度直接由碳纤维的总层数和每层的铺层... 详细信息

液压缸在航空航天、工程机械等领域的轻量化有着很大潜力,其中碳纤维替代金属就是重点方向之一。以往碳纤维液压缸纤维增强层的设计大多基于工程经验,缺乏正向设计方法,由于碳纤维增强层的强度和刚度直接由碳纤维的总层数和每层的铺层角度综合决定的,所以为了满足液压缸耐压和密封等设计需求,提出一种碳纤维液压缸纤维增强层的正向设计方法,确定了碳纤维增强层的总层数和每层铺层角度。设计方法共分为两步,第一步利用复合材料网格理论确定增强层纤维总层数,第二步基于层合筒力学模型,利用多目标粒子群算法得到优质解集Pareto前沿,然后根据评价函数选择出最合适的角度铺层方案。给出一实例通过正向设计方法获得最佳铺层方案,利用有限元进行应力计算,根据蔡吴强度理论进行强度校核,与正向设计方法计算出的结果比对之后,证明了该正向设计方法的可行性。根据仿真数据分析了铺层角度对强度刚度影响的规律。最后以最佳铺层方案为例,说明了利用该正向设计方法设计的碳纤维增强层相比于替代掉的金属有着很好的减重效果。

关键词：液压缸轻量化碳纤维纤维增强层铺层正向设计

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碳纤维复合材料液压缸的活塞杆力学分析与设计

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机械工程学报 2025年第4期61卷 314-322页

作者：尚耀星王业硕于天李瑶焦宗夏北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学飞行器一体化控制全国重点实验室北京100191 北京航空航天大学先进机载系统工业和信息化部重点实验室北京100191 北京航空航天大学宁波创新研究院宁波315800

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced composites,CFRP)凭借其优异性能在液压元件与系统轻量化方面受到广泛关注。目前,CFRP在液压缸上的应用主要集中于缸筒,而在活塞杆中的应用研究较少。针对大推拉力的细活塞杆的轻量化,从复... 详细信息

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced composites,CFRP)凭借其优异性能在液压元件与系统轻量化方面受到广泛关注。目前,CFRP在液压缸上的应用主要集中于缸筒,而在活塞杆中的应用研究较少。针对大推拉力的细活塞杆的轻量化,从复合材料杆的力学简化模型出发,研究复合材料的厚度、角度参数的影响,指导复合材料杆的铺层设计。对于CFRP活塞杆的金属-非金属连接结构,设计CFRP与金属接头的凸台嵌合结构,并对结构参数进行优化。形成基于有限元的异质材料活塞杆分析方法,设计试制轻量化活塞杆样件,并组装成液压缸样机进行测试,试验结果表明活塞杆满足设计要求,比同尺寸钢制活塞杆减重64.77%,验证了CFRP在液压缸制造中的可行性和轻量化潜力。

关键词：液压缸活塞杆轻量化碳纤维增强复合材料

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基于强化学习的多能源动态滑翔航迹优化方法

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西北工业大学学报 2025年第1期43卷 128-139页

作者：张云飞王宏伦张梦华巩轶男北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室北京100191 海鹰航空通用装备有限责任公司北京100074

针对无人机动态滑翔问题,提出了一种基于深度强化学习的航迹优化方法。该方法综合利用梯度风能和太阳能,引入了障碍物约束以模拟复杂障碍环境。使用神经网络近似逼近高斯伪谱方法求解航迹的策略,在训练得到的策略基础上利用双延迟深度... 详细信息

针对无人机动态滑翔问题,提出了一种基于深度强化学习的航迹优化方法。该方法综合利用梯度风能和太阳能,引入了障碍物约束以模拟复杂障碍环境。使用神经网络近似逼近高斯伪谱方法求解航迹的策略,在训练得到的策略基础上利用双延迟深度确定性策略梯度算法进行策略改进,在大幅度提升推理实时性的同时解决了传统最优控制算法在动态滑翔领域难以应对变化风场的问题。实验针对动态滑翔2种经典模式进行仿真验证,之后在考虑多种能量源的情况下进行蒙特卡洛仿真。结果表明,基于深度强化学习的动态滑翔航迹优化方法在单个滑翔周期内获能与最优结果相近,而实时推理决策时间减少了91%。在变化风场环境下,文中方法相较于传统方法具有更强的适应性。

关键词：动态滑翔强化学习高斯伪谱航迹优化

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碳纤维液压缸热-力耦合模型与分析

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机械工程学报 2025年第08期 308-318页

作者：于天刘志成李瑶万晓飞焦宗夏尚耀星北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京航空航天大学飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室北京航空航天大学宁波创新研究院北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院

碳纤维液压缸可有效减轻液压系统重量，是移动装备液压驱动系统节能减排的新手段。碳纤维复合材料的应力特性与热膨胀系数存在极强的各向异性，使得相邻不同角度复合材料铺层之间会产生较大的应力、应变差异。因此碳纤维液压缸的热-力... 详细信息

碳纤维液压缸可有效减轻液压系统重量，是移动装备液压驱动系统节能减排的新手段。碳纤维复合材料的应力特性与热膨胀系数存在极强的各向异性，使得相邻不同角度复合材料铺层之间会产生较大的应力、应变差异。因此碳纤维液压缸的热-力耦合分析相比起传统金属油缸尤为重要，但相关研究缺乏不同油液温度下碳纤维液压缸的力学性能分析。建立层合筒径向温度分布模型与热-力耦合模型，解算额定内压、不同温度梯度下的碳纤维层合筒应力分布与缸体内径变形，并进一步通过失效准则对碳纤维液压缸的安全性能进行分析。建模与分析对象为课题组提出的某型碳纤维液压缸的纤维增强层。研究发现热负载会在碳纤维横截面方向产生压应力，抵消由内压在此方向上产生的拉应力，提高纤维增强层的安全系数；缸体内径变形量减小，满足密封要求。碳纤维液压缸热-力耦合分析可有效指导碳纤维液压缸筒设计。

关键词：液压缸碳纤维热-力耦合各向异性温度分布热应力

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用于无人机室内导航的光流与地标融合方法

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控制理论与应用 2015年第11期32卷 1511-1517页

作者：吴琦蔡志浩王英勋北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

针对小型无人机在无卫星导航信号条件下的导航问题,结合光流及地标定位设计了使用摄像头、惯性测量器件、超声测距仪等传感器融合的无人机室内导航方法.文章使用补偿角速率的光流微分法计算帧间像素点小位移,并用前后误差算法提取精度... 详细信息

针对小型无人机在无卫星导航信号条件下的导航问题,结合光流及地标定位设计了使用摄像头、惯性测量器件、超声测距仪等传感器融合的无人机室内导航方法.文章使用补偿角速率的光流微分法计算帧间像素点小位移,并用前后误差算法提取精度较高的点,避免像素点跟踪错误,提高了光流测速的精度;对得到的光流场用均值漂移算法进行寻优,得到光流场直方图峰值,以此计算光流速度.本文提出了无累积误差的连续地标定位算法,实时测量无人机位置.通过多速率卡尔曼滤波器对观测周期不一致的位置、速度信息进行最优估计.在搭建的八旋翼无人机平台上试验,将位置与速度测量结果分别与激光和PX4FLOW数据对比,结果表明该导航方法可以有效抑制定位跳变与光流测量噪声误差,给出精确的位置与速度估计.

关键词：无人机光流多速率卡尔曼滤波室内导航

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基于仿鹰眼视觉的无人机自主空中加油

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仪器仪表学报 2014年第7期35卷 1450-1458页

作者：段海滨张奇夫邓亦敏张祥银北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

自主空中加油是提高无人机作战能力的重要技术支撑,而鹰在所有的动物中以视觉最为敏锐而著称。针对无人机自主空中加油中的精确对接需求,设计了基于仿鹰眼视觉原理的无人受油机视觉测量方法及半物理试验平台。采用鹰眼视觉注意机制提取... 详细信息

自主空中加油是提高无人机作战能力的重要技术支撑,而鹰在所有的动物中以视觉最为敏锐而著称。针对无人机自主空中加油中的精确对接需求,设计了基于仿鹰眼视觉原理的无人受油机视觉测量方法及半物理试验平台。采用鹰眼视觉注意机制提取虚拟视景中的兴趣区域,剔除噪声和干扰。在对受油机上的颜色标志点进行识别的基础上采用P3P算法,对加油机和受油机之间的相对位姿进行精确估计,并设计了基于比例-积分-微分的硬式加油伸缩管控制律。基于上述技术,在实验室环境下设计开发了无人机自主空中加油半物理仿真平台。实验结果表明:所设计的仿鹰眼视觉测量方法和自主控制律能满足无人机自主空中加油的性能要求,具有较强的实时性、准确性和鲁棒性。

关键词：无人机自主空中加油鹰眼视觉位姿估计

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带攻击角度约束的非奇异快速终端滑模制导律

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控制理论与应用 2014年第3期31卷 269-278页

作者：熊少锋王卫红王森北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

本文利用先进的终端滑模控制和李雅普诺夫稳定性理论设计了一种非奇异、本质上连续和有限时间收敛的带攻击角度约束的制导律,它可用于打击固定、匀速运动和机动目标.为了在有限时间内高精度地获得给定的攻击角度并不出现奇异问题,非奇... 详细信息

本文利用先进的终端滑模控制和李雅普诺夫稳定性理论设计了一种非奇异、本质上连续和有限时间收敛的带攻击角度约束的制导律,它可用于打击固定、匀速运动和机动目标.为了在有限时间内高精度地获得给定的攻击角度并不出现奇异问题,非奇异快速终端滑模函数被用于设计滑模面.快速终端滑模函数被用于设计趋近律,在整个到达阶段系统轨迹可以从任意初始状态快速地收敛到滑模面并形成本质上连续的制导律.由于非奇异、本质上连续和全局快速收敛的特性,和传统的终端滑模制导律相比,本文方法可以在更短时间内以更高精度的攻击角度对目标实施打击.大量的仿真算例表明了本文制导律的有效性.

关键词：非线性制导律攻击角度约束有限时间收敛终端滑模控制非奇异

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基于卡箍优化布局的飞机液压管路减振分析

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振动与冲击 2013年第1期32卷 14-20页

作者：李鑫王少萍北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

飞机液压管路振动过大是一个亟待解决的问题,考虑了主动消振方式较为复杂,难以在飞机液压系统实现,提出了基于系统特征阻抗,通过优化卡箍布局的被动消振方式。首先建立系统管道及各元件数学模型,利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,... 详细信息

飞机液压管路振动过大是一个亟待解决的问题,考虑了主动消振方式较为复杂,难以在飞机液压系统实现,提出了基于系统特征阻抗,通过优化卡箍布局的被动消振方式。首先建立系统管道及各元件数学模型,利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)得到其频域特征阻抗变化规律。以激振源固有频率点的特征阻抗加权和为目标函数,利用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)在一定范围内调整卡箍位置,使在激振源频率点的特征阻抗加权和降到最低。通过优化卡箍位置,系统特征阻抗加权和较优化前衰减28.13%,验证了其有效性,为飞机液压管路的优化布局提供了一定的理论依据。

关键词：管路振动传递矩阵法特征阻抗粒子群算法卡箍优化布局

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基于改进流体扰动算法与灰狼优化的无人机三维航路规划

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控制与决策 2016年第4期31卷 701-708页

作者：姚鹏王宏伦北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

针对复杂地形环境下的无人机三维航路规划问题,提出一种基于改进的扰动流体动态系统与灰狼优化理论的混合航路规划算法.构建改进的扰动流体动态系统数学模型,通过修正初始汇流得到扰动流场,流场流线即可看作规划航路,能有效避免驻点、... 详细信息

针对复杂地形环境下的无人机三维航路规划问题,提出一种基于改进的扰动流体动态系统与灰狼优化理论的混合航路规划算法.构建改进的扰动流体动态系统数学模型,通过修正初始汇流得到扰动流场,流场流线即可看作规划航路,能有效避免驻点、局部陷阱等问题.通过模拟灰狼群体的等级制度和捕食策略,并引入个体记忆功能和优胜劣汰选择规则,对障碍物反应系数进行寻优.仿真结果表明,规划出的三维航路平滑、可飞,具有良好的避障特性.

关键词：复杂地形环境无人机三维航路规划扰动流体动态系统灰狼优化

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基于动态流体扰动原理的三维滚动航路规划

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北京航空航天大学学报 2015年第12期41卷 2280-2287页

作者：姚鹏王宏伦刘畅北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

针对复杂环境中存在运动目标、移动威胁与突发威胁等多种情况,将动态流体扰动算法与滚动优化策略相结合,进行无人机(UAV)三维动态航路规划.基于移动目标运动信息与威胁运动信息引入相对初始流场,用扰动矩阵量化表示障碍物或威胁对相对... 详细信息

针对复杂环境中存在运动目标、移动威胁与突发威胁等多种情况,将动态流体扰动算法与滚动优化策略相结合,进行无人机(UAV)三维动态航路规划.基于移动目标运动信息与威胁运动信息引入相对初始流场,用扰动矩阵量化表示障碍物或威胁对相对初始流场的扰动影响,计算相对扰动流场,进而得到实际流场流线即无人机规划航路.充分利用实时环境信息,综合考虑未来运动态势,在有限时域内采用动态流体扰动算法规划出可选航路,然后构建目标函数,滚动优化反应系数,实现在线航路规划.仿真结果表明,该算法能较好地适用于复杂动态环境.

关键词：无人机(UAV) 三维动态航路规划复杂环境动态流体扰动滚动优化

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