长航时和远距离飞行是无人机性能拓展的前沿方向之一。论文研究了如何利用蕴含在大气环境中的能量进行绿色飞行的新模式,这种飞行模式通过形成周期性的动态滑翔轨迹,依靠穿越特殊的风场—物理量呈梯度变化的区域中获取能量,用较少或基本不用自身携带的能源进行飞行。在自然界中存在有先进的“榜样”—信天翁,这种海鸟利用海面梯度风场以动态滑翔的方式实现其环球飞行。风梯度动态滑翔以其无污染、零排放的独特优势,是未来无人机研究的重要方向之一。风梯度动态滑翔作为可实现无人机长航时和远距离飞行的一种重要辅助策略,其合理的利用涉及诸多难题,包括梯度风场参数感知、梯度风能的转换机理、航迹规划、多目标优化设计、能量优化控制、无人机自主控制等方面的研究。其中,如何实现动态滑翔过程中不断获取蕴含在风场中的能量是核心问题之一。因此,论文以如何更好利用梯度风能为目标,以飞行轨迹优化为主要研究手段,主要进行了以下研究:首先,总结了信天翁动态滑翔特征,主要是其独特的滑翔航迹及相应的速度变化规律;对风梯度动态滑翔应用于飞行器的研究进展进行了概述,包括对风梯度动态滑翔过程中获能机理的分析、航迹优化算法、航迹搜索以及相应的滑翔机设计原理等,为论文的研究找到了依据。在建模过程中,风场模型为对数型梯度风场模型。通过建立相应的飞行器动力学模型,分析了风梯度动态滑翔过程中的获能机理。根据能量获取最大化的需求,选择了航迹点离散化求解最优目标的航迹优化方法,同时,结合动力学方程组,应用哈密顿正则方程确定了风梯度动态滑翔过程中航迹优化的边界条件,即最小风梯度与飞行器翼载荷之间的关系,风场梯度与升阻比之间的关系以及翼载荷与升阻比之间的关系。同时由哈密顿函数的极值条件,求出控制输入变量升力系数和滚转角的极值范围。然后,对风梯度滑翔过程中最优航迹方向范围进行了分析。通过引入切入角的概念,将方向范围的确定转化为求解切入角的大小。根据滑翔的航迹特征,将其分为逆风爬升、高空转弯、顺风下滑、低空转弯四段进行分析,同时,采用将梯度风场方向分解的分析方法,确定了风梯度动态滑翔过程中,能量的获取/损失与切入角之间的关系。此外,重点分析了切入角分别为0°、16°、32°所对应的动态滑翔航迹,以及各航迹所对应的空速、姿态角以及能量变化。在最优航迹的方向范围内,通过对风梯度动态滑翔过程中的长航时与远距离问题的分析,获得了三种不同的动态滑翔模式,分别是:(i)开环的长航时模式;(ii)闭环的长航时模式;(iii)开环的远距离模式。因此,无人机可在不同的任务规划的要求下,选择相应的动态滑翔模式进行飞行。风梯度滑翔过程中,建立了关于无人机的非惯性的坐标系—风场坐标系,无人机在风场坐标系下所受的惯性力与梯度风场梯度大小相关。在重力、惯性力、升力和阻力相互平衡的条件下,提出了风梯度动态滑翔中平衡点原理。通过最大值函数与空速在垂直方向的分量的等高线图可以确定动态滑翔过程中上升平衡点是否存在,同时可以确定满足平衡状态时无人机的升力系数、空速、滚转角以及风梯度大小。为了验证前述优化仿真结论的准确性,设计了相应的飞行实验。在实验过程中,无人机如果按照优化所得的航迹及状态参数飞行,则实验前后的能量状态无明显变化;无人机如果不按照优化所得的航迹及状态参数飞行,则在飞行过程中有较大的能量损失。通过飞行实验验证了论文优化计算所得结论的准确性。最后,在前述平衡点分析和验证实验的基础上,对风梯度动态滑翔过程中的无人机自主控制进行了设计,提出了以状态变量全反馈为主、控制变量反馈相结合的闭环控制法,对实现动态滑翔的自主控制提出了相应的理论模型和框架。经过飞行实验对比,该自主控制算法具有良好的航迹跟踪性能,为进一步实施航迹实时规划与跟踪打下了基础。论文深入分析了无人机风梯度动态滑翔这一特殊飞行模式,通过飞行器动力学建模、动态滑翔能量获取机理分析、航迹优化方法、梯度风能利用策略分析、无人机自主控制设计等,为无人机利用梯度风能实现其长航时和远距离飞行提供了基本的设计思路和分析方法,同时,为实现以任务规划为前提的风梯度动态滑翔航迹优化提供了技术支撑,对拓展无人机新能源应用具有十分重要的意义。