无人机在军事领域可执行情报、监视、侦察(ISR)以及远程精确打击等任务,是未来打赢信息化条件下局部战争的核心军事能力和有效手段之一;在民用领域的应用包括地质测绘、资源勘测、环境监控、气象观测、灾害评估与救援等,完成人类或有人机难以完成的“单调、肮脏和危险(3D)”任务。从无人机的历史发展、应用背景以及研究热点来看,增加无人机的长航时性能,拓展其执行任务的持续时间和覆盖范围是主要的发展趋势。从无人机的总体设计角度来看,续航时间需求是出发点,续航性能最后都归结于机载能源的消耗问题,而机载能源数量又受到无人机载重和空间的制约。因而需要从能量的角度出发,探索扩展无人机航时性能的创新途径。信天翁在几乎不拍打翅膀的情况下,利用动态滑翔的技巧从海面附近的风梯度中获取能量,实现长航时、远距离、甚至是环球飞行;信天翁拥有―侧翼锁定‖系统,使其在动态滑翔过程中轻松地保持翅膀伸展,可当作是固定翼无人机;而且不同尺度的风梯度在自然界中广泛、持续分布,因而固定翼无人机运用动态滑翔技巧直接从风场中获取能量,实现长航时、大范围,甚至是无动力的永久飞行潜力巨大。但目前动态滑翔获能机理尚不完全明确,无人机动态滑翔的方式、方法和可行风场条件尚待进一步研究,本文以固定翼无人机为研究对象,深入研究了以下内容:(1)动态滑翔无人机动力学建模与航迹优化方法研究。对风梯度条件下的无人机动力学模型进行推导,一组在机体坐标系中建立,另一组在气流航迹坐标系中建立,分析了模型的等价性与适用性,将前者用于飞行仿真,后者用于能量分析与航迹优化;采用基于龙格-库塔积分的直接配点法,提出了一整套面向不同动态滑翔模式的高效航迹优化方法。(2)基于Rayleigh环的动态滑翔导引与控制研究。按照Rayleigh环逆风爬升、高空转弯、顺风下滑与低空转弯的定义,求解爬升、下滑过程获能最大化的最优爬升角与转弯过程耗能最小的最优滚转角,设计了分段导引控制策略,跟踪最优欧拉角,实现能量增益的Rayleigh环动态滑翔,将能量增益释放用于低空平飞,并按照指定方向行进,使无人机具备渐进跟踪任何方向和任意形状全局路径的能力;设计了基于增广卡尔曼滤波的风场参数估计方法,利用Rayleigh环动态滑翔仿真的传感器数据验证了风场估计方法的有效性。(3)全面阐释了不同参考系下动态滑翔机理。通过分析信天翁在风场中的动力学模型和动态滑翔的优化航迹,结合四段式Rayleigh环定义,对动态滑翔能量获取机理进行解析分析、数值分析与文献对比分析;分析结果表明动态滑翔过程中,相对气流系的能量增加来自于在风梯度中的穿梭飞行,相对惯性系的能量增加来自于升力向量向风速向量方向的倾斜;这两种分析的结论从能量获取角度上说并不等价,但两个参考系下的能量闭环必须同时满足;证明了支撑两个参考系下能量闭环的本质能源是风梯度,纠正了动态滑翔获能机理与风梯度无关而只与风速相关的分析与结论。(4)完整归纳了最优动态滑翔航迹的模式分类。按照Rayleigh环滑翔的四段式定义和信天翁真实的动态滑翔模式,勾画了不同动态滑翔航模式的示意图;以示意图为参考,设定不同的初始猜测航迹与边界约束,利用航迹优化方法计算了无人机所有可能模式的最优航迹;动态滑翔模式被分为两个大类:闭合模式与行进模式,前者又分为O形和8形,后者可分为Ω形、α形、C形和S形,分析了各种模式的特点和模式间的相互关系;并用大量文献中的最优动态滑翔航迹佐证模式分类的完备性;多种可行模式表明,无人机可以模拟甚至是超越信天翁,以更多样化的方式进行动态滑翔。(5)全面分析了包含参考风速与指数参数的动态滑翔可行风场条件。利用动态滑翔航迹优化方法,求解了闭合模式与行进模式动态滑翔的可行风场条件边界,包括最大、最小幂律指数,以及不同幂律指数对应的最大、最小参考风速,使可行风场条件由单一的参考风速范围,扩展成有关参考风速与幂律指数的更加全面的二维可行域;分析了无人机参数、近地飞行安全高度、行进速度需求对于风场条件可行域的影响。(6)深入研究了太阳能无人机重力势能与风梯度联合利用航迹优化问题。在太阳能无人机分别利用爬升和下滑存储和释放重力势能的过程中,结合动态滑翔逆风爬升、顺风下滑从风梯度中获取能量的机理,对重力势能与风梯度联合利用航迹进行优化计算,优化结果表明,引入风梯度利用后,无人机可从环境中获取更多的能量,进而节省机载储能电池搭载量,提升昼夜能量闭环性能。论文深入研究了动态滑翔获能机理,初步研究了感知、规划与控制的自主闭环问题,利用航迹优化的方法分析了无人机动态滑翔的可行模式与可行风场条件,并将动态滑翔策略应用到太阳能无人机重力滑翔的过程中。论文提出了无人机环境能量利用的创新思路,为无人机利用风梯度进行动态滑翔奠定了坚实的理论基础,为拓展无人机续航性能提供重要的应用参考。