【摘要】：無(wú)人機(jī)起飛和著陸過(guò)程是無(wú)人機(jī)整個(gè)飛行過(guò)程最關(guān)鍵的階段之一,而其地面滑跑過(guò)程中頻發(fā)的沖出跑道、側(cè)翻以及起落架折斷等事故嚴(yán)重影響著無(wú)人機(jī)的安全性能。高空高速無(wú)人機(jī)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(duì)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(kāi)展對(duì)無(wú)人機(jī)剎車及地面滑跑過(guò)程中帶來(lái)的動(dòng)力學(xué)、穩(wěn)定性與控制問(wèn)題的研究,對(duì)指導(dǎo)起落架以及地面操縱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高無(wú)人機(jī)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(duì)剎車系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套適用于某型無(wú)人機(jī)的混合式防滑剎車控制律,在不同跑道路面的工況下對(duì)三自由度無(wú)人機(jī)地面剎車滑跑模型進(jìn)行了仿真分析,表明了所設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)應(yīng)用分岔理論研究無(wú)人機(jī)地面滑跑轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性問(wèn)題,建立了全機(jī)地面滑跑六自由度動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)數(shù)值延拓算法快速準(zhǔn)確地分析了無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨各參數(shù)的變化關(guān)系,研究了無(wú)人機(jī)地面勻速直線運(yùn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)彎時(shí)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(duì)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(duì)無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎過(guò)程受力特性及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析,揭示了無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)提供足夠的圓周運(yùn)動(dòng)向心力。為提高模型精確度、降低無(wú)人機(jī)全尺寸試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn),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(duì)無(wú)人機(jī)滑跑方向的操縱效果,在LMS Virtual.Lab Motion中建立了高速無(wú)人機(jī)地面滑跑剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)動(dòng)力學(xué)模型,利用Hyper Mesh/NASTRAN有限元軟件對(duì)起落架進(jìn)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(yǔ)言代碼,通過(guò)各軟件之間的數(shù)據(jù)接口對(duì)無(wú)人機(jī)地面滑跑糾偏模型進(jìn)行了多學(xué)科協(xié)同仿真分析。通過(guò)對(duì)方向舵、前輪轉(zhuǎn)彎及主輪差動(dòng)剎車子系統(tǒng)的分析,采用優(yōu)化方法設(shè)計(jì)了主動(dòng)聯(lián)合糾偏控制系統(tǒng)。在不同側(cè)向擾動(dòng)干擾的工況下,驗(yàn)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(jī)技術(shù)及拉格朗日第二類方程,建立了起落架抖振動(dòng)分析模型,對(duì)比驗(yàn)證了兩個(gè)模型的符合程度,指出剎車抖振動(dòng)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(duì)剎車機(jī)輪實(shí)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(dòng)機(jī)理,研究了起落架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及剎車力矩對(duì)抖振的影響規(guī)律�；诙鄬W(xué)科優(yōu)化方法,提出采用短時(shí)傅里葉變換方法研究整個(gè)時(shí)間域內(nèi)抖振的幅頻特性,對(duì)起落架抖振系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析,設(shè)計(jì)了合理的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)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(duì)比了不同剎車系統(tǒng)對(duì)起落架抖振響應(yīng)的影響,并在不同工況下驗(yàn)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(jī)剎車系統(tǒng)失靈、跑道路面狀況多變、起落架故障以及飛機(jī)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(wú)人機(jī)在跑道上滑跑時(shí)發(fā)生事故，其中一個(gè)傳感器系統(tǒng)遭到損壞。2008 年 3 月，一架來(lái)自印度尼西亞亞當(dāng)航空公司的波音 737-400 客機(jī)在巴淡島機(jī)場(chǎng)著陸時(shí)，因地面濕滑沖出跑道，導(dǎo)致 5 人受傷（見(jiàn)圖 1.1(b)）。2008 年 8 月，一架客機(jī)在西班牙馬德里機(jī)場(chǎng)起飛時(shí)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(jī)在著陸時(shí)一個(gè)輪胎爆胎，導(dǎo)致飛機(jī)偏離跑道，沖進(jìn)附近的海灣（見(jiàn)圖 1.1(c)）。2015 年 5 月，我國(guó)新舟 60 客機(jī)在降落時(shí)起落架折斷，沖出跑道，造成機(jī)上 3 名乘客受輕傷（見(jiàn)圖 1.1(d)）。(a)惡劣天氣飛機(jī)側(cè)翻 (b)B737-400 型客機(jī)沖出跑道

圖 1.2 所示為殲 8 飛機(jī)著陸滑跑圖和主起落架圖。起落架結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷會(huì)其疲勞壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痫w行事故。如何準(zhǔn)確辨識(shí)起落架的振動(dòng)特性，并通過(guò)結(jié)計(jì)和振動(dòng)控制來(lái)盡量減小不利振動(dòng)，一直是起落架設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題[24]。研究架與剎車機(jī)輪及其振動(dòng)規(guī)律，確定振動(dòng)幅頻特性與振動(dòng)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V279

【參考文獻(xiàn)】

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