一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法，利用平均轴系理论，建立无人机飞行动力学方程，在小扰动假设下将方程进行配平线化，基于模态截断法，建立模态坐标下的机翼弹性运动方程，采用二阶系统来模拟舵机的反应过程，将上述舵机模型的传递函数转化成状态空间的形式，将状态空间形式的飞行动力学模型、大气模型、舵机模型耦合，可以得到无人机阵风响应。无人机阵风响应。无人机阵风响应。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法


[0001]本专利技术属于无人机
，具体涉一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法，可以用于考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法研究。

技术介绍

[0002]无人机是现代高科技战争中必不可少的重要武器，是打赢战争执行重大任务的有力工具，已发展成各军事强国竞相发展的热点。在民用领域如灾害监测与应急响应、地球遥感，无人机正发挥着重要作用。近年来，大展弦比远程无人机和新能源超长航时无人机已经成为研究的热点。无人机在空中飞行时，尤其是穿越山区等复杂地形环境上空或者在气象条件恶劣的环境下时，经常会遇到各种严重的大气扰流，产生附加的气动力和力矩，增加飞机的动态结构载荷，严重影响了飞机安全和设备正常工作。
[0003]长航时无人机是指续航时间在12小时以上的飞机，由于能执行战略上的重大任务，超长航时无人机具有重要的应用价值和发展潜力。但面对苛刻的飞行任务要求，应用新技术以扩大设计空间的同时，创新性的设计方案却引发出新的问题。这些新问题，主要表现在结构非线性、气动力非线性和结构弹性运动与全机刚体运动的耦合问题。超长航时无人机由于具有较大的翼展，需要在使用大量轻质结构，此类设计导致飞机的柔性急剧增加，容易产生刚性和弹性耦合的现象，从而导致结构破坏或者失速，不仅如此，无人机柔性结构固有频率很低时，刚性运动会导致不稳定运动模态或较低刚体自由颤振速度，为方案设计带来不利影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对提升无人机全天候飞行能力，提出了一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法。
[0005]具体方案为：
[0006]一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法，包括以下步骤：
[0007](1)利用平均轴系理论，建立无人机飞行动力学方程，在小扰动假设下将方程进行配平线化；
[0008](2)基于模态截断法，建立模态坐标下的机翼弹性运动方程；
[0009](3)采用二阶系统建立舵机模型，将所述的舵机模型的传递函数转化成状态空间的形式，方便舵机模型与飞行动力学模型、大气模型进行耦合；
[0010](4)将状态空间形式的飞行动力学模型、大气模型、舵机模型耦合，得到考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学模型，计算得到无人机阵风响应状态空间方程。
[0011]其中，步骤(4)具体为得到连续紊流下的飞机阵风响应状态空间方程；飞机阵风响应状态空间方程如下：
[0012][0013]其中，A、B、C为状态空间矩阵，H为噪声对应的矩阵，x为状态量，u为输入，u＝[δ
e δ
a
]T
，r是强度为1的高斯白噪声，y为观测输出，v为观测噪声；
[0014]系统矩阵A与各子模型的关系：
[0015][0016]其中，A
f
为飞行动力学模型中的系统矩阵，A
a
为大气模型中的系统矩阵，A
af
为大气模型对飞行动力学模型的影响，A
s
分别为各舵面的舵机模型中的系统矩阵，A
sf
分别为各舵机模型对飞行动力学模型的影响。
[0017]本专利技术提供了一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法，可以用于考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法研究，为柔性无人机设计提供重要理论支撑，具有重要的应用价值。
附图说明
[0018]图1为本专利技术流程图；
[0019]图2为实施例线化风场模型与Von Kalman功率谱密度函数对比；
[0020]图3为实施例连续紊流阵风下的过载时域响应。
具体实施方式
[0021]下面结合附图和实施例对考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法进一步详细说明。流程图如图1所示，包括以下步骤：
[0022](1)利用平均轴系理论，建立无人机飞行动力学方程，在小扰动假设下将方程进行配平线化；
[0023]步骤(1)中，利用平均轴系理论，建立无人机飞行动力学方程，由之前的气动导数可以得到，飞机的纵向和横航向的耦合程度并不高，将耦合项去掉，同时将微分方程进行线化处理，可以获得小扰动线化方程；
[0024](2)基于模态截断法，建立模态坐标下的机翼弹性运动方程；
[0025]步骤(2)中采用模态截断法，可以很方便地对弹性运动方程进行降阶。对于飞行动力学分析，一般只关心最低的若干阶模态，基于模态坐标将使弹性运动方程的阶数降低，大大提高计算效率。
[0026](3)采用二阶系统建立舵机模型，将所述的舵机模型的传递函数转化成状态空间的形式；
[0027]步骤(3)中，在获得阵风响应模型时，需要舵机模型进行耦合，下面介绍舵机模型的选择。舵机模型是飞机在实际操纵过程中重要的一个环节，采用二阶系统来模拟舵机的反应过程，二阶系统传递函数如下：
[0028][0029]其中，K
d
＝502,ε
d
＝0.60,ω
nd
＝50。
[0030](4)将状态空间形式的飞行动力学模型、大气模型、舵机模型耦合，得到考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学模型，计算得到无人机阵风响应状态空间方程。
[0031]步骤(4)中建立舵机模型后，所有搭建开环阵风响应动力学模型都已经建好，将状态空间形式的飞行动力学模型、大气模型(图2为线化风场模型与Von Kalman功率谱密度函数对比)、舵机模型耦合，可以得到连续紊流下的飞机阵风响应。飞机阵风响应状态空间方程如下：
[0032][0033]其中，A、B、C为状态空间矩阵，H为噪声对应的矩阵，x为状态量，u为输入，u＝[δ
e
δ
a
]T
，r是强度为1的高斯白噪声，y为观测输出，v为观测噪声。
[0034]上述阵风响应状态空间方程由各模型耦合而成，系统矩阵A在系统响应分析及控制设计中尤为重要，下面列出系统矩阵A与各子模型的关系：
[0035][0036]其中，A
f
为飞行动力学模型中的系统矩阵，A
a
为大气模型中的系统矩阵，A
af
为大气模型对飞行动力学模型的影响，A
s
分别为各舵面的舵机模型中的系统矩阵，A
sf
分别为各舵机模型对飞行动力学模型的影响。
[0037]建立阵风响应耦合模型后，对该模型进行阵风响应分析。图3是在配平状态下，连续紊流阵风下的过载时域响应，从图中可以看出，飞机中心过载的变化与大气紊流都是无序的。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用平均轴系理论，建立无人机飞行动力学方程，在小扰动假设下将方程进行配平线化；(2)基于模态截断法，建立模态坐标下的机翼弹性运动方程；(3)采用二阶系统建立舵机模型，将所述的舵机模型的传递函数转化成状态空间的形式；(4)将状态空间形式的飞行动力学模型、大气模型、舵机模型耦合，得到考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学模型，计算得到无人机阵风响应状态空间方程。2.根据权利要求1所述的一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法，其特征在于，步骤(4)，具体为得到连续紊流下的飞机阵风响应状态空间方程；所述的飞机阵风响应状态空...

【专利技术属性】
技术研发人员：李道春，赵仕伟，谭溥学，申童，阚梓，邵浩原，姚卓尔，向锦武，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：