【摘要】：無人機起飛和著陸過程是無人機整個飛行過程最關(guān)鍵的階段之一,而其地面滑跑過程中頻發(fā)的沖出跑道、側(cè)翻以及起落架折斷等事故嚴重影響著無人機的安全性能。高空高速無人機的發(fā)展以及新型控制系統(tǒng)與新材料技術(shù)的大量涌現(xiàn),對起落架以及地面操縱系統(tǒng)的性能提出了更大的挑戰(zhàn)。因此開展對無人機剎車及地面滑跑過程中帶來的動力學(xué)、穩(wěn)定性與控制問題的研究,對指導(dǎo)起落架以及地面操縱控制系統(tǒng)設(shè)計、提高無人機地面滑跑穩(wěn)定性具有重要意義。首先基于勞斯判據(jù)及Lyapunov穩(wěn)定性判別方法,分析了滑移率式、減速率式及兩者結(jié)合方式的全電剎車系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從理論上推導(dǎo)出了保證剎車系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件。在考慮傳感器噪聲對剎車系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套適用于某型無人機的混合式防滑剎車控制律,在不同跑道路面的工況下對三自由度無人機地面剎車滑跑模型進行了仿真分析,表明了所設(shè)計的混合式剎車控制系統(tǒng)能夠提高剎車系統(tǒng)工作平穩(wěn)性,減小系統(tǒng)的振蕩。提出了采用非線性動力學(xué)應(yīng)用分岔理論研究無人機地面滑跑轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性問題,建立了全機地面滑跑六自由度動力學(xué)模型,通過數(shù)值延拓算法快速準確地分析了無人機轉(zhuǎn)彎運動狀態(tài)隨各參數(shù)的變化關(guān)系,研究了無人機地面勻速直線運動速度、轉(zhuǎn)彎時的切向速度、前輪轉(zhuǎn)角、方向舵面積、主輪距及路面摩擦系數(shù)對其轉(zhuǎn)彎方向穩(wěn)定性的影響,得到了單參數(shù)及雙參數(shù)分岔穩(wěn)定區(qū)域圖。對無人機轉(zhuǎn)彎過程受力特性及運動特點進行了分析,揭示了無人機轉(zhuǎn)彎出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象的本質(zhì)原因是輪胎側(cè)向力飽和之后仍不能給無人機提供足夠的圓周運動向心力。為提高模型精確度、降低無人機全尺寸試驗的風(fēng)險,將多學(xué)科協(xié)同仿真技術(shù)應(yīng)用于研究綜合糾偏控制系統(tǒng)對無人機滑跑方向的操縱效果,在LMS Virtual.Lab Motion中建立了高速無人機地面滑跑剛?cè)狁詈咸摂M樣機動力學(xué)模型,利用Hyper Mesh/NASTRAN有限元軟件對起落架進行模態(tài)分析,在MATLAB/Simulink中建立全電剎車系統(tǒng)及各力學(xué)子系統(tǒng)模型,在Visual Studio中編寫剎車及糾偏控制模型C語言代碼,通過各軟件之間的數(shù)據(jù)接口對無人機地面滑跑糾偏模型進行了多學(xué)科協(xié)同仿真分析。通過對方向舵、前輪轉(zhuǎn)彎及主輪差動剎車子系統(tǒng)的分析,采用優(yōu)化方法設(shè)計了主動聯(lián)合糾偏控制系統(tǒng)。在不同側(cè)向擾動干擾的工況下,驗證了聯(lián)合糾偏系統(tǒng)都具有很好的方向穩(wěn)定性及較高的剎車效率。分別采用虛擬樣機技術(shù)及拉格朗日第二類方程,建立了起落架抖振動分析模型,對比驗證了兩個模型的符合程度,指出剎車抖振動力學(xué)響應(yīng)與剎車控制系統(tǒng)間的相互耦合作用,將起落架縱向抖振對剎車機輪實際滑移率的影響引入剎車抖振分析模型中,分析了起落架發(fā)生抖振現(xiàn)象的振動機理,研究了起落架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及剎車力矩對抖振的影響規(guī)律。基于多學(xué)科優(yōu)化方法,提出采用短時傅里葉變換方法研究整個時間域內(nèi)抖振的幅頻特性,對起落架抖振系統(tǒng)各參數(shù)進行了敏感性分析,設(shè)計了合理的性能評價指標和約束條件,提出了前饋控制與反饋控制結(jié)合的剎車控制方式以減緩剎車抖振現(xiàn)象,并給出了剎車抖振角度與剎車效率之間的權(quán)衡關(guān)系。最后,將傳統(tǒng)防滑剎車系統(tǒng)及基于智能控制的新型防滑剎車控制系統(tǒng)應(yīng)用于起落架抖振分析模型,對比了不同剎車系統(tǒng)對起落架抖振響應(yīng)的影響,并在不同工況下驗證了加入模糊控制的復(fù)合剎車控制律具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。
【圖文】：

機剎車系統(tǒng)失靈、跑道路面狀況多變、起落架故障以及飛機方向操縱控制系統(tǒng)不工作等。一些典型地面滑跑階段的安全事故如圖 1.1 所示。1999 年 12 月，一架 RQ-4 Global Hawk 全球鷹無人機在跑道上滑跑時發(fā)生事故，其中一個傳感器系統(tǒng)遭到損壞。2008 年 3 月，一架來自印度尼西亞亞當航空公司的波音 737-400 客機在巴淡島機場著陸時，因地面濕滑沖出跑道，導(dǎo)致 5 人受傷（見圖 1.1(b)）。2008 年 8 月，一架客機在西班牙馬德里機場起飛時突然沖出跑道并失火，至少造成近百人死亡。巴西里約熱內(nèi)盧一架小型飛機在著陸時一個輪胎爆胎，導(dǎo)致飛機偏離跑道，沖進附近的海灣（見圖 1.1(c)）。2015 年 5 月，我國新舟 60 客機在降落時起落架折斷，沖出跑道，造成機上 3 名乘客受輕傷（見圖 1.1(d)）。(a)惡劣天氣飛機側(cè)翻 (b)B737-400 型客機沖出跑道

圖 1.2 所示為殲 8 飛機著陸滑跑圖和主起落架圖。起落架結(jié)構(gòu)振動載荷會其疲勞壽命，嚴重時甚至?xí)痫w行事故。如何準確辨識起落架的振動特性，并通過結(jié)計和振動控制來盡量減小不利振動，一直是起落架設(shè)計中的重點和難點問題[24]。研究架與剎車機輪及其振動規(guī)律，確定振動幅頻特性與振動劇烈的部件，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)滑剎車控制律，，將為減弱甚至避免起落架縱向抖振現(xiàn)象提供理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V279

【參考文獻】

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本文編號：2685389