单旋翼无人机飞行中风力影响函数的确定和优化

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单旋翼无人机由于重量轻、成本低、操纵灵活、机动性强、能够无需跑道垂直升降等特点而拥有广泛的应用前景。然而,低空复杂的气动环境使得单旋翼无人机的实际飞行受到很大的程度的阻碍,导致单旋翼无人机在军事、民用方面都受到很大的限制,因此研究风干扰下单旋翼无人机的抗风能力具有现实意义。为了研究抗风策略,本文首先在Matlab环境下对风洞实验数据进行预处理,将六阶风力影响函数简化至低速下的二阶多项式和高速下的四阶多项式。然后在考虑风干扰的条件下进行数学建模,获得风干扰与无人机的作用力和力矩的关系。将预处理后的风洞实验数据带入到低速飞行的风力影响函数中进行阶数验证,参数辨识结果和实验结果都表明低速飞行时的二阶多项式更具有效性和可行性。将单独旋翼流场和单独机身流场的不同风速和不同桨距的仿真结果与实验结果进行对比,其对比结果验证了仿真结果的可靠性。本文使用Ansys/Proe仿真软件进行建模,将单独旋翼流场和旋翼/机身组合体流场与单独机身流场和旋翼/机身组合体流场对比,得出旋翼和机身流场之间会相互干扰,因此进行旋翼/机身组合体流场的仿真模拟很有必要。以风速和桨距为变量的单独旋翼和机身以及旋翼/机身组合体的力和扭矩都表明旋翼和机身流场之间会相互干扰,尤其是对旋翼升力和俯仰力矩的影响最大,其次对机身滚转力矩和偏航力矩以及旋翼侧向力也有干扰。对以风速为变量的无人机在不同飞行状态下的风力影响函数进行参数辨识及验证,将仿真后的数据结果带入到高速下的四阶多项式中,验证结果表明四阶多项式更可靠。最终本研究简化和优化了各方向上的力和力矩之间的函数关系式,在此基础上设计的单旋翼无人机飞行控制器将具有更好地抗风能力。
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