[发明专利]一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明针对提升无人机全天候飞行能力，提出了一种考虑复杂风场的无人机柔性飞行动力学分析方法。

具体方案为：

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：

(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，方便舵机模型与飞行动力学模型、大气模型进行耦合；

(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。

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：

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_eδ_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；

系统矩阵A与各子模型的关系：

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。

本发明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