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无人机纵向气动布局与控制系统优化设计研究

作　者: 陈小昆
导　师: 侯中喜
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 无人机控制系统气动布局优化飞行品质
分类号: V279
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于无人机和有人机相比具有独特的优势,从本世纪初开始,无人机得到了巨大的发展。飞行品质可以反映无人机系统完成飞行任务的难易程度,良好的飞行品质是确保无人机安全飞行以及顺利完成既定飞行任务的重要保障,对于无人机飞行品质至今还没有一个明确的评价标准,只能参考有人驾驶飞机,这已经不能满足当前的无人机发展。动力学模型和气动参数是分析无人机飞行品质的基础,CFD数值模拟是计算翼型、机翼等气动特性的重要手段。无人机要求研发周期短、研发成本低,传统的串行总体优化方法费事费钱,已不适合用来设计无人机。为此,本文以无人机纵向控制与气动布局优化设计为主题,开展了以下几个方面的工作:(1)从牛顿力学出发,建立了无人机六自由度动力学模型,通过小扰动线性化和解耦分离,推导出纵向运动方程。(2)通过CFD数值模拟计算,得到了某型无人机的机翼和平尾的气动特性和气动导数。(3)阐述了无人机稳定性的概念,研究了无人机飞行品质的计算方法,对无人机纵向平面的长周期、短周期模态分析方法进行了深入研究,设计了俯仰通道的控制律。(4)在一些合理的假设的基础上提出了基于飞行品质约束的,控制与气动布局优化方法,实现了在满足一级飞行品质的前提下,使得平尾阻力和尾撑结构质量最小的多目标优化。最后对某型无人机进行了优化,证明该方法能够起到优化的效果。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-19
  1.1 无人机概述  12-15
  1.2 国内外研究进展  15-17
    1.2.1 无人机飞行品质  15-16
    1.2.2 控制与气动布局优化  16-17
  1.3 论文主要工作和内容  17-19
第二章无人机动力学建模  19-31
  2.1 坐标系  19-20
  2.2 无人机运动参数  20-22
    2.2.1 姿态角  20
    2.2.2 航迹角  20
    2.2.3 气流角  20
    2.2.4 机体坐标轴系的角速度分量  20-21
    2.2.5 机体坐标轴系的速度分量  21
    2.2.6 坐标系间的转换  21-22
  2.3 运动假设条件  22
  2.4 作用在无人机上的力和力矩分析  22-24
    2.4.1 空气动力和空气动力矩  22-23
    2.4.2 发动机推力和力矩  23
    2.4.3 重力  23-24
    2.4.4 无人机的操纵机构  24
  2.5 无人机动力学方程  24-25
  2.6 无人机运动学方程  25-27
  2.7 无人机运动方程解耦与线性化  27-31
    2.7.1 无人机运动方程解耦  27-28
    2.7.2 无人机纵向运动方程线性化  28-31
第三章无人机气动参数计算  31-50
  3.1 计算流体力学（CFD）技术  31-32
  3.2 理论基础  32-36
    3.2.1 控制方程  32-34
    3.2.2 边界条件  34
    3.2.3 湍流模型  34-35
    3.2.4 MUSCL 格式  35-36
  3.3 算例验证  36-38
  3.4 气动参数计算  38-47
    3.4.1 二维翼型气动性能计算  39-42
    3.4.2 机翼和平尾气动参数计算  42-47
  3.5 气动导数估算  47-50
    3.5.1 气动力系数导数  47-48
    3.5.2 动导数  48
    3.5.3 操纵导数  48-50
第四章纵向稳定性与飞行品质  50-59
  4.1 无人机纵向稳定性  50-52
    4.1.1 无人机纵向静稳定性  50-51
    4.1.2 无人机纵向动稳定性  51
    4.1.3 纵向典型模态特征参数  51-52
  4.2 无人机纵向稳定性分析  52-53
    4.2.1 无人机特征方程与特征根分析  52
    4.2.2 无人机动态特性仿真分析  52-53
  4.3 无人机飞行品质  53-56
    4.3.1 概述  53-54
    4.3.2 无人机分类及任务划分  54-55
    4.3.3 无人机飞行品质规范  55-56
  4.4 纵向控制律设计方法  56-59
    4.4.1 PID 控制算法  56-57
    4.4.2 俯仰角控制系统设计  57-59
第五章控制与气动布局优化设计  59-66
  5.1 问题简化与假设  59
  5.2 邻域培植遗传算法(NCGA)  59-60
  5.3 iSIGHT 介绍  60-61
  5.4 控制与气动布局优化  61-66
    5.4.1 优化总体流程  62
    5.4.2 优化具体方法  62-66
第六章某型无人机的控制与气动布局优化  66-76
  6.1 某型无人机的主要参数  66-67
    6.1.1 质量特性  66
    6.1.2 无人机主要部件气动性能  66-67
    6.1.3 配平条件  67
  6.2 某型无人机纵向性能分析  67-71
    6.2.1 稳定性分析  67-69
    6.2.2 操纵性分析  69-70
    6.2.3 俯仰角控制仿真结果  70-71
  6.3 控制与气动布局优化  71-76
结束语  76-78
致谢  78-80
参考文献  80-84
作者在学期间取得的学术成果  84

无人机纵向气动布局与控制系统优化设计研究

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