[发明专利]一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法

权利要求书

1.一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以单位时间内的降雨量评价降雨的严重程度，计算空气中液态水含量参数；

步骤(1)中空气中液态水含量LWC的计算公式如下所示：

其中，ρ_w为水的密度；R雨滴半径，单位：mm；N₀＝0.08cm^-4,n＝41,m＝-0.21；

(2)假设所有雨滴以同一直径和速度下落，根据空气中液态水含量参数，通过理论方法计算雨滴撞击飞机时产生的力与力矩；

步骤(2)中雨滴撞击飞机产生力大小表示为：

其中表示雨滴撞击飞机产生力；表示雨滴的平均速度；A_xb、A_yb、A_zb分别表示前视面积、侧视面积、俯视面积；K_x、K_y、K_z表示在机体轴三个方向上的雨滴收集系数；

[V_xb V_yb V_zb]^T表示机体坐标系下的飞行速度；表示机体坐标系下的水滴落速；

俯仰力矩表达式如下：

是降雨影响下的机体俯仰力矩，是降雨影响的机体x方向受力，z_c是降雨影响的机体附加受力点与重心在z轴上的距离，是降雨影响的机体z轴受力，x_c是降雨影响的机体附加受力点与重心在x轴上的距离；

(3)采用计算流体力学方法得到水膜附着以后引起的升力系数变化量、升力线斜率变化量以及阻力系数变化量；

(4)将雨滴对于飞机所造成的撞击力和力矩表示在无人机初始的平衡方程中，并进行线化处理，得到降雨时的纵向运动小扰动线化方程；建立降雨影响的无人机飞行动力学模型；

步骤(4)中线化方程的形式为其中A为状态矩阵，B为控制矩阵；

纵向方程组的状态变量为x＝[Δu w q Δθ]^T；控制变量为c＝[Δδ_T Δδ_e]^T；其中，Δu是速度变化量，w是z方向速度，q是俯仰角速度，Δθ是俯仰角变化量，Δδ_T是油门开度变化量，Δδ_e是升降舵变化量；

考虑降雨影响后的矩阵系数为：

其中，

其中，V_k和α分别为无人机运动的速度和迎角；X_u是X轴方向的力关于前飞速度的变化率，m是机体质量，X_w是X轴方向的力关于w的变化率；X_V是机体坐标系下X方向的速度，是降雨附加力在该方向下分力；Z_u是Z轴方向的力关于前飞速度的变化率，是Z轴方向的力关于的变化率；Z_V是机体坐标系下Z方向的速度，是降雨附加力在该方向下分力；M_u是X轴方向的力矩关于前飞速度的变化率，是降雨附加力矩关于速度的导数；是X方向的力关于油门开度的导数；是X方向的力关于升降舵偏角的导数；是Z方向的力关于升降舵偏角的导数；是俯仰力矩关于油门开度的导数；是俯仰力矩关于升降舵偏角的导数；I_y是y方向转动惯量。