[发明专利]一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法

说明书

本发明公开一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，包括：长机尾涡建模模块，诱导速度计算模块，耦合效应公式化模块；具体包括：固定翼无人机的机翼建模、连续分布的马蹄涡环量分布计算、连续分布的马蹄涡强度的衰减计算、单涡丝诱导速度的计算、所有马蹄涡形成的诱导速度场计算、僚机所受诱导速度计算、诱导升力系数计算、诱导阻力系数计算、诱导滚转力矩系数计算、诱导俯仰力矩系数计算。本发明可提高气动耦合效应建模精度和计算效率，可为后续分析无人机在紧密编队中的最优位置提供理论支持。提出一种高精度的将僚机所受诱导速度转化为诱导力和力矩的耦合效应公式化方法，使编队气动耦合效应建模精度进一步提高。

技术领域

本发明涉及一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，属于无人机集群紧密编队与控制领域。

背景技术

紧密编队是解决无人机集群在整体续航能力上的缺陷、提高编队性能的一种有效途径。无人机集群紧密编队飞行通过利用气动耦合效应可以增加编队中单个无人机升力的同时减小阻力，可以显著增加无人机的续航里程、提高无人机的任务执行能力，进而提升整个无人机集群编队的自主性。

无人机集群紧密编队的主要技术挑战包括编队气动耦合效应的精确且高效建模，确定紧密编队中无人机的最优位置也即最佳的气动收益点，抑制气动和不确定性扰动的同时将无人机精确地控制到最优位置，确保无人机在最优位置的安全飞行。由于编队中无人机之间的气动耦合效应耦合程度较高且耦合机理复杂，且对模型的精度和计算效率有较高的要求。这使得编队气动耦合效应的精确且高效的建模技术成为实现无人机集群紧密编队的核心技术挑战。本发明旨在通过设计一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，提高编队气动耦合效应的建模精度和模型计算效率，为后续分析无人机的最优位置，更加有效的抑制气动和不确定扰动，为最终实现无人机集群紧密编队提供技术支撑。

编队气动耦合效应建模主要包含长机的尾涡建模和耦合效应的公式化。目前，编队气动耦合效应下的长机尾涡建模方法主要有单马蹄涡法、多马蹄涡法和涡格法。单马蹄涡采用单个马蹄涡分布在飞机1/4弦线上来模拟飞机产生的尾涡，虽然计算效率较高，但由于单个马蹄涡产生的流场与真实的飞机尾涡流场有很大的误差，因此，单马蹄涡法的建模精度较低。相比于单马蹄涡法，多马蹄涡法在单马蹄涡的基础上采用多条马蹄涡来模拟飞机产生的尾涡，建模的精度相对于单马蹄涡有一定程度的提高，但还是无法达到集群紧密编队所要求的模型精度。相比于以上两种建模方法，涡格法将整个翼面划分成一定数量的网格，并假设每个网格处都产生一条马蹄涡，也即将相当数量的马蹄涡平铺于飞机的整个翼面。通过涡格法所建立的长机的尾涡流场与真实飞机的尾涡流场最为接近，因此，建模精度相对于上面两种方法是最高的。但由于采用网格的方法将相当数量的马蹄涡平铺于整个翼面，造成模型的运算效率非常低，只适合于静态的分析模型并不能用于实时的解算。由于长机产生的尾涡对僚机直接作用表现为僚机所受诱导速度，并不是僚机所能直接利用的诱导力和力矩。因此，如何将僚机所受的诱导速度转化为诱导力和力矩也即耦合效应的公式化，也是编队气动耦合效应建模的关键问题，对整个气动耦合效应模型的精度也有一定的影响。

因此，本发明针对现存的长机尾涡建模方法所存在的精度和计算效率不足问题，提出一种连续马蹄涡法。假设马蹄涡沿机翼的1/4弦线连续分布，根据1/4弦线上的升力分布计算连续马蹄涡在翼展方向上的环量分布，并引入涡丝的气动扭转系数，最大可能地模拟飞机尾涡产生的实际流场，提高长机尾涡的建模精度。同时，针对耦合效应的公式化问题，本发明设计了一套离散求平均的将僚机所受诱导速度转化为诱导力和力矩的计算方式，使得编队气动耦合效应的建模精度进一步的提高。

发明内容

本发明提供了一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，其目的是针对固定翼无人机集群紧密编队提供一种气动耦合效应建模方法。旨在提高气动耦合效应的建模精度和计算效率，为后续分析无人机的最优位置，使控制器更加有效的抑制气动和不确定扰动，为最终实现无人机集群紧密编队提供技术支撑。同时也建立了一套高精度的耦合效应公式化方法，使得编队气动耦合效应的建模精度进一步的提高。