[发明专利]一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法

说明书

本发明公开了一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，通过考虑降雨参数、计算雨滴撞击过程中所产生的力和力矩、考虑水膜附着的无人机气动特性，对无人机进行飞行动力学建模；以小扰动线化模型为基础，考虑降雨引起的附加力和力矩对于纵向飞行性能的影响，建立降雨影响的无人机飞行动力学模型。本发明的方法能够有效得到降雨天气下无人机飞行性能情况，从而为相关设计提供指导思想，提高无人机的全天候飞行能力。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，可以用于无人机在降雨情况下飞行性能和飞行控制方法的研究。

背景技术

无人机在降雨条件下飞行时会对其飞行性能产生巨大的影响，包括各个舵面、机翼、尾翼的气动性能，从而恶化飞行的稳定性操纵性，增加飞行阻力减小升力，这将会严重影响长航时无人机全天候飞行的能力。因此为了能够应对这一环境，必须认识和了解这种天候条件下对于无人机飞行能力的影响，改善无人机在这种天候条件下的适应性，从而使得无人机的全天候飞行能力得到提升。

发明内容

本发明针对提升无人机全天候飞行能力，提出了一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，通过计算降雨参数、计算雨滴产生力和力矩、考虑水膜造成气动影响，建立无人机飞行动力学模型。

具体的技术方案为：

一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，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等参数；

(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等参数，通过理论方法计算雨滴撞击飞机时产生的力与力矩；

(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。

进一步的详细步骤为：

(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等参数，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等参数，通过理论方法计算雨滴撞击飞机时产生的力与力矩；雨滴撞击飞机产生附加力大小可以表示为：雨滴撞击飞机产生附加力大小可以表示为：

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：

(3)采用计算流体力学方法结合工程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：