[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

说明书

本发明涉及一种考虑降雨影响的无人机阵风响应建模和分析方法，属于飞行动力学建模分析技术领域。该方法结合考虑降雨影响的无人机刚性飞行动力学模型以及无人机机翼结构状态空间模型，建立考虑降雨影响的无人机阵风响应飞行动力学模型；并以无人机质心运动和机翼的弹性振动为控制目标，设计无人机操作面的控制律，将控制律结果输入考虑降雨影响的无人机阵风响应飞行动力学模型进行分析，实现了无人机阵风减缓，从而极大地提升了无人机抵御复杂气象的能力。

技术领域

本发明涉及飞行动力学建模分析技术领域，尤其涉及一种考虑降雨影响的无人机阵风响应建模和分析方法。

背景技术

无人机在高空飞行时不可避免遇到气流颠簸，特别是雷雨大风天气，无人机飞行环境复杂，气流干扰剧烈。阵风会产生额外的动载荷，影响无人机结构安全。需要开展阵风减缓控制方法，减轻因阵风带来的载荷，提高无人机复杂飞行环境下的飞行安全。

降雨会对无人机飞行性能产生很大影响，改变无人机的气动外形，对各舵面、机翼和尾翼的气动性能产生不利影响，从而降低无人机飞行稳定性和机动性，增加飞行阻力，降低升力，严重影响无人机全天飞行的能力。为了应对这种环境，必须认识和理解降雨以及阵风对无人机飞行能力的影响，提高无人机在复杂气象条件下的适应性，提高无人机的全天候飞行能力。

然而，现有技术中均只考虑了阵风、降雨单独的气象环境，未能综合考虑阵风、降雨同时存在的复杂气象环境。同时，也未考虑无人机的机翼柔性的影响，不能准确评估无人机复杂气象环境飞行安全。

发明内容

要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种考虑降雨影响的无人机阵风响应建模和分析方法，该方法基于考虑降雨的无人机阵风响应飞行动力学模型，进行阵风响应控制律设计，从而极大地提升了无人机抵御复杂气象的能力。

技术方案

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。

本发明进一步的技术方案：S1所述的离散结构状态空间模型：