無人機是一種可以通過遙控或程序控制飛行的無人駕駛飛行器,在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域應用廣泛。近年來,因多旋翼無人機具有機動靈活、可以垂直起降、體積小等優(yōu)點成為研究的熱點。但多旋翼無人機在低空低速的飛行環(huán)境中,存在易受紊流風場影響的問題,降低了飛行性能和飛行品質(zhì)。目前,紊流風場環(huán)境下多旋翼無人機穩(wěn)定性研究主要集中在無人機飛控算法方面,在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的研究較少,為減小紊流風場的不利影響,彌補控制算法的不足,提高飛行性能和飛行品質(zhì),在此以六旋翼無人機為例,結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論和有限元分析理論進行優(yōu)化研究。主要研究工作如下:(1)首先對六旋翼無人機的結(jié)構(gòu)特點及飛行原理進行了研究,根據(jù)起飛質(zhì)量、飛行速度等相關(guān)數(shù)據(jù),確定了六旋翼無人機結(jié)構(gòu)的總體性能參數(shù)。然后用Solidworks建立了六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維模型,根據(jù)牛頓-歐拉定理建立了動力學模型,為后期的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化奠定了仿真基礎。(2)對旋翼空氣動力學和紊流風場的特性進行了分析,分別建立了紊流風場下六旋翼無人機動力學模型與紊流風場模型。并使用線性濾波法對紊流風場進行數(shù)值模擬,得到了紊流風速時程、紊流風壓和紊流風速功率譜密度圖像,同時獲得了風載荷數(shù)據(jù)。通過對模擬譜和目標譜進行對比分析,驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可行性,為后續(xù)分析和研究提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。(3)在建立六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有限元模型基礎上,對紊流風場環(huán)境下六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行靜力學分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)機身結(jié)構(gòu)強度完全滿足無人機以最大飛行速度在四級風力環(huán)境中飛行的設計要求,證明機身整體結(jié)構(gòu)存在設計冗余;對六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行自由模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)機身結(jié)構(gòu)固有頻率集中在9Hz~67Hz,紊流風場頻率集中在0Hz~10Hz,兩種頻率交叉,極有可能發(fā)生共振;由四級風力得到的隨機載荷用于隨機振動分析,結(jié)果表明機身整體結(jié)構(gòu)的最大應力小于機身材料PA66和碳纖維T300的疲勞極限,不會發(fā)生疲勞損傷和破壞。(4)針對紊流風場下六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計冗余和容易產(chǎn)生共振的問題,進行優(yōu)化分析和設計。先對機身整體結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化,然后分別對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各個組成部件進行尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化,通過靈敏度分析確定最佳設計變量,以結(jié)構(gòu)強度和位移為約束,以質(zhì)量最小為目標函數(shù)進行優(yōu)化計算,得出最優(yōu)設計方案,最后根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進行重新建模,并對優(yōu)化后的模型進行仿真驗證。在無人機以最大飛行速度于四級風力環(huán)境中飛行的條件下進行仿真實驗,由結(jié)果分析可知無人機起飛質(zhì)量減輕,負載能力提高,機身結(jié)構(gòu)振動減小,紊流風場的不利影響降低,飛行性能和飛行品質(zhì)得到改善。
【學位單位】：天津職業(yè)技術(shù)師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V279
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 課題的背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 國內(nèi)外無人機研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國內(nèi)外無人機結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)狀
        1.2.3 國內(nèi)外紊流風場研究現(xiàn)狀
    1.3 主要研究內(nèi)容
第二章 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與建模
    2.1 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
        2.1.1 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
        2.1.2 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局
    2.2 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物理模型建立
        2.2.1 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實體模型分析
        2.2.2 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實體模型建立
        2.2.3 六旋翼無人機總體性能參數(shù)確定
    2.3 六旋翼無人機數(shù)學模型建立
        2.3.1 坐標系的建立
        2.3.2 六旋翼無人機飛行原理
        2.3.3 動力學模型建立
    2.4 本章小結(jié)
第三章 六旋翼無人機所處紊流風場環(huán)境的分析與建模
    3.1 旋翼空氣動力學分析
    3.2 紊流風場的特性分析
    3.3 紊流風場模型研究
        3.3.1 紊流風場理論研究
        3.3.2 紊流風場模型的選擇與建立
    3.4 紊流風場的數(shù)值模擬
    3.5 紊流風場數(shù)值模擬結(jié)果分析
    3.6 本章小結(jié)
第四章 紊流風場環(huán)境下六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靜力學和動力學分析
    4.1 有限元分析理論
    4.2 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靜力學分析
        4.2.1 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元模型的建立
        4.2.2 紊流風場環(huán)境下六旋翼無人機飛行工況分析與仿真計算
    4.3 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
        4.3.1 模態(tài)分析理論基礎與邊界條件確定
        4.3.2 自由模態(tài)分析結(jié)果與討論
        4.3.3 紊流風場環(huán)境下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受迫振動分析
    4.4 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨機振動分析
    4.5 本章小結(jié)
第五章 紊流風場環(huán)境下無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化
    5.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論和方法
        5.1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計理論
        5.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法
    5.2 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化
        5.2.1 機身整體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化
        5.2.2 機臂結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化
        5.2.3 中心連接板結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化
        5.2.4 起落架結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化
    5.3 無人機優(yōu)化仿真驗證
        5.3.1 優(yōu)化前后靜力學分析結(jié)果對比分析
        5.3.2 優(yōu)化前后模態(tài)分析結(jié)果對比分析
        5.3.3 優(yōu)化前后隨機振動分析結(jié)果對比分析
        5.3.4 六旋翼無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析
    5.4 本章小結(jié)
第六章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻
致謝
申請學位期間的研究成果及發(fā)表的學術(shù)論文

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳靜;;合法、安全飛行是無人機行業(yè)發(fā)展的根本[J];機器人產(chǎn)業(yè);2019年04期

2 金偉;尚勇;;中國無人機安全監(jiān)管[J];科技導報;2019年14期

3 李夢瑋;;無人機產(chǎn)品質(zhì)量提升研究與案例分析[J];機器人產(chǎn)業(yè);2019年04期

4 李富良;李元元;黃杰;黃植兵;;美陸軍無人機訓練研究[J];國防科技;2019年03期

5 徐宏慶;;無人機應用技術(shù)專業(yè)建設的探索[J];正德職業(yè)技術(shù)學院學報;2018年02期

6 潘泉;康童娜;呂洋;趙春暉;胡勁文;;無人機感知規(guī)避技術(shù)發(fā)展與挑戰(zhàn)[J];無人系統(tǒng)技術(shù);2018年04期

7 杜恒;;基于足球比賽路徑規(guī)劃的農(nóng)用無人機定位和導航研究[J];農(nóng)機化研究;2019年10期

8 問延安;蔣倩;;智慧監(jiān)管:民用無人機企業(yè)監(jiān)管的路徑選擇[J];長沙航空職業(yè)技術(shù)學院學報;2018年04期

9 張軍國;閆浩;胡春鶴;李婷婷;于明;;無人機在林業(yè)中的應用及前景展望[J];林業(yè)工程學報;2019年01期

10 劉逸宸;;無人機系統(tǒng)信息傳輸技術(shù)分析[J];科技資訊;2018年32期

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 潘春雨;軟件定義蜂窩網(wǎng)中的資源管理技術(shù)研究[D];北京郵電大學;2019年

2 王東;山地果園植保無人機自適應導航關(guān)鍵技術(shù)研究[D];西北農(nóng)林科技大學;2019年

3 薛武;無人機影像定位優(yōu)化技術(shù)研究[D];戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學;2017年

4 孟凡琨;無人機目標跟蹤與避障研究[D];長安大學;2018年

5 王勛;基于擬態(tài)物理學的無人機編隊控制與重構(gòu)方法研究[D];國防科學技術(shù)大學;2016年

6 徐淑芳;基于連通性的無人作戰(zhàn)網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)研究[D];南京航空航天大學;2017年

7 匡敏馳;尾座式推力矢量無人機飛行控制方法研究[D];清華大學;2017年

8 紀曉婷;基于概率模型檢驗的無人機不確定決策理論與方法研究[D];國防科學技術(shù)大學;2016年

9 鄧海強;翼身融合布局無人機總體多學科設計優(yōu)化研究[D];南京航空航天大學;2017年

10 呂迅竑;無人機容錯飛行控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];南京航空航天大學;2017年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 羅雪靜;面向光伏巡檢的四旋翼飛行器路徑規(guī)劃問題研究[D];浙江大學;2018年

2 李峰;基于輸出調(diào)節(jié)和滑�？刂频乃男頍o人機軌跡跟蹤控制[D];天津理工大學;2019年

3 席志鵬;無人機自主飛行若干關(guān)鍵問題研究[D];浙江大學;2019年

4 程雋逸;基于多傳感器融合的艦載無人機自動著艦技術(shù)的研究[D];華東理工大學;2019年

5 屈亮;D公司植保無人機項目商業(yè)計劃書[D];河北經(jīng)貿(mào)大學;2019年

6 楊萌;基于無人機輔助的船姿測量和落點估計技術(shù)研究[D];浙江大學;2019年

7 侯宇晨;基于實時操作系統(tǒng)的無人機飛控系統(tǒng)的位置和姿態(tài)控制器的應用與實現(xiàn)[D];武漢工程大學;2018年

8 段敏;基于實時操作系統(tǒng)的無人機飛控系統(tǒng)EKF濾波器應用與實現(xiàn)[D];武漢工程大學;2018年

9 劉斌;基于無人機遙感影像的農(nóng)作物分類研究[D];中國農(nóng)業(yè)科學院;2019年

10 楊敏;無人機與民航客機碰撞安全風險評估[D];中國民用航空飛行學院;2019年

本文編號：2847793