[发明专利]一种考虑降雨影响的无人机阵风响应建模和分析方法

权利要求书

1.一种考虑降雨影响的无人机阵风响应建模和分析方法，其特征在于步骤如下：

S1：对无人机的机翼进行模态分析，分析得到无人机的低阶机翼模态，将低阶机翼模态坐标下的动力学方程写成状态空间表达形式，得到模态坐标下的结构状态空间模型并对该模型离散化得到离散结构状态空间模型；

S2： 将无人机低阶机翼模态作为输入，开展流体力学仿真，得到气动力系数输出，通过ARX方法建立模态位移下的气动力状态空间模型；

S3：将阵风作为输入，开展流体力学仿真，得到气动力系数输出，通过ARX方法建立阵风输入下的气动力状态空间模型；

S4：将S1得到的离散结构状态空间模型、S2得到的模态位移下的气动力状态空间模型、S3得到的阵风输入下的气动力状态空间模型相耦合，得到无人机柔性机翼阵风响应气动弹性模型；

S5：将空气设置为连续相，雨滴设置为离散相，模拟无人机在雨中的飞行工况，采用动态网格开展计算流体力学数值仿真，得到考虑降雨的附加力系数、力矩系数以及气动导数；

S6：基于无人机刚体运动方程，建立无人机的初始平衡方程，结合S5得到的考虑降雨的附加力系数、力矩系数以及气动导数，建立考虑降雨影响的无人机刚性飞行动力学模型，对该模型进行小扰动线性化，建立考虑降雨影响的状态空间形式的无人机刚性飞行动力学模型；

S7：结合S6得到的考虑降雨影响的状态空间形式的无人机刚性飞行动力学模型和S4得到的无人机柔性机翼阵风响应气动弹性模型，建立考虑降雨影响的无人机阵风响应飞行动力学模型；

S8：采集无人机质心和机翼翼尖处的位移、角速度和加速度信号作为PID控制器的输入，通过设计控制器参数控制舵面偏转以及油门量；将舵面偏转量和油门量作为S7建立的考虑降雨影响的无人机阵风响应飞行动力学模型的输入，观测无人机阵风响应飞行动力学模型状态变量变化，如果状态变量均收敛，则证明上述控制器抑制了无人机质心运动和机翼的弹性振动，实现了无人机阵风减缓。

2.根据权利要求1所述的考虑降雨影响的无人机阵风响应建模和分析方法，其特征在于S1所述的离散结构状态空间模型：

其中

其中，M是结构状态空间模型系统质量矩阵，I为单位阵，C是结构状态空间模型系统阻尼矩阵，K是结构状态空间模型结构系统刚度矩阵，为各阶模态对应的广义气动力，为阵风作为输入对应的广义气动力 ，q为动压，T为时间步长，表示时间步为k时结构状态空间变量，表示时间步为k+1时结构状态空间变量，表示时间步为k时结构状态空间模型结构系统输出。

3.根据权利要求2所述的考虑降雨影响的无人机阵风响应建模和分析方法，其特征在于S2所述的模态位移下的气动力状态空间模型：

其中，k为步数，为模态位移下的气动力系数矩阵，为时间步为k时模态位移下气动力状态变量，为时间步为k+1时模态位移下气动力状态变量，为时间步为k时模态位移下气动力状态空间模型系统输入，为时间步为k时模态位移下气动力系数输出。

4.根据权利要求3所述的考虑降雨影响的无人机阵风响应建模和分析方法，其特征在于S3所述的阵风输入下的气动力状态空间模型：

其中，k为步数，为阵风输入下的气动力系数矩阵，为时间步为k时阵风输入下气动力状态变量，为时间步为k+1时阵风输入下气动力状态空间模型的系统输入，为阵风输入下气动力系数输出，为时间步为k阵风输入下气动力状态空间模型系统输入。