本文關鍵詞：一種螺旋槳動力配平的小型電動無尾無人機研究

  更多相關文章： 無人機 無尾布局 總體設計 螺旋槳動力配平 航時 縱向穩(wěn)定性 優(yōu)化設計 穩(wěn)健性

【摘要】：固定翼飛機的縱向靜穩(wěn)定性、縱向配平與飛行性能對飛機的設計要求是相矛盾的,無尾飛機由于缺少平尾,使該矛盾對其影響尤為顯著。因此,無尾飛機設計需要在縱向穩(wěn)定性、平衡和性能之間做更多的協(xié)調(diào)和折衷。相比于常規(guī)布局,設計性能較好的無尾飛機難度更大。在飛機概念設計階段,其外形參數(shù)以及實際的飛行狀態(tài)往往存在著一定的隨機不確定性。特別地,針對無尾布局,某些不確定性因素對飛機的飛行性能和穩(wěn)定性影響較為敏感。如果在無尾飛機總體設計時不考慮這些不確定性因素,就極有可能無法達到飛機的設計要求。針對以上兩個問題,本文提出了一種利用螺旋槳動力配平縱向力矩(propeller thrust trimming,PTT)的飛機布局方案,力圖通過螺旋槳動力產(chǎn)生抬頭力矩,來提高無尾飛機的最大升力系數(shù)和升阻特性,以改善無尾飛機的飛行性能。圍繞該布局,以一架小型電動無尾無人機為研究對象,開展了PTT布局性能收益及縱向穩(wěn)定性研究,并進行了PTT小型無尾無人機航時穩(wěn)健性優(yōu)化設計工作。本文主要完成了以下幾方面工作:(1)提出了PTT布局方案,并對PTT小型無尾無人機進行了總體方案初步設計。首先,從改善無尾飛機性能的角度,闡述了PTT布局的方案原理。其次,研究了PTT小型無尾無人機的總體布局。然后,進行了無人機初始外形參數(shù)設計,從穩(wěn)定性、縱向配平以及性能方面,定性地分析了機翼、翼梢小翼以及舵面幾何參數(shù)的選擇。(2)為評估PTT小型無尾無人機的氣動性能收益,對采用常規(guī)升降副翼配平和采用PTT的兩種小型無尾無人機進行了風洞實驗。測試結(jié)果顯示:在滿足縱向配平條件下,倘若PTT布局的翼身軸線偏移量設計合理,那么相比于常規(guī)升降副翼配平的無尾無人機,PTT布局的最大升阻比可以提升15%左右,最大升力系數(shù)可以提升16%左右。此外,風洞實驗數(shù)據(jù)還對本文的無人機氣動力計算方法進行了驗證。(3)為評估無人機續(xù)航性能,建立了PTT小型電動無人機總體設計計算模型。針對PTT布局以及電動無人機存在的特殊性,重點研究了以下四個方面:其一,計入推力線偏移、重心偏移以及螺旋槳矢量推力等影響,建立了PTT布局的縱向穩(wěn)定性與縱向配平計算模型;其二,建立了存在來流攻角的螺旋槳以及無刷電機模型,為電動無人機設計出了高效的推進系統(tǒng);其三,建立了恒功率放電條件下鋰離子電池放電時間計算模型,并基于該模型推導出了電動無人機航時公式;其四,根據(jù)飛機外形尺寸,通過疊加全機各部件重量來評估無人機結(jié)構(gòu)重量,進而建立了電動無人機重量計算模型。(4)基于前文建立的總體設計計算模型,對PTT小型電動無尾無人機進行了總體參數(shù)優(yōu)化,研究PTT帶來的無人機續(xù)航性能收益。優(yōu)化結(jié)果表明:在滿足指定任務目標要求下,PTT無尾無人機具有更輕的重量和更高的升阻比,相比于采用正彎度翼型和反彎度翼型的常規(guī)升降副翼配平無尾無人機,PTT布局的航時分別提升了24.2%和40.4%。通過對一架2.5kg級別的樣機進行多次飛行測試,證明了本文提出的PTT改善無尾飛機飛行性能這種方案的可行性,以及建立的小型電動無人機總體設計計算模型的有效性。(5)以優(yōu)化得到的PTT小型電動無尾無人機為基準,探究了總體參數(shù)對PTT無尾無人機縱向靜穩(wěn)定性、縱向配平以及縱向動穩(wěn)定性的影響。分析結(jié)果顯示:重心下移對縱向靜穩(wěn)定性影響非常顯著,它增加了PTT無尾飛機的縱向靜穩(wěn)定性,并使縱向靜安定裕度隨升力系數(shù)呈非線性變化。重心下移量越大,縱向靜穩(wěn)定性越好,但同時會增加配平力矩,降低無人機性能。另一方面,引入的螺旋槳推力線偏移和矢量推力則對縱向靜穩(wěn)定性影響較小,但它們增加了長周期的振蕩周期,減小了長周期的阻尼,并且分別決定著PTT無尾無人機的零升俯仰力矩大小和縱向配平能力。(6)開展了PTT小型電動無尾無人機航時穩(wěn)健性優(yōu)化設計。通過Sobol’全局靈敏度分析,篩選出了對PTT小型電動無尾無人機航時和約束影響較大的13個幾何設計變量和飛行狀態(tài)參數(shù),并將其劃分為5類不確定性問題。然后基于代理模型,利用多目標遺傳算法對這5類不確定性問題進行了穩(wěn)健性優(yōu)化。與確定性優(yōu)化結(jié)果相比,經(jīng)過穩(wěn)健性優(yōu)化得到的無人機總體參數(shù),在損失較小航時均值的條件下,可以顯著降低無人機幾何設計變量和飛行狀態(tài)參數(shù)變化對航時的影響,大幅度提升無人機設計過程中滿足約束的概率。最后基于穩(wěn)健性優(yōu)化設計結(jié)果,總結(jié)出了PTT小型電動無尾無人機航時和約束穩(wěn)健性設計準則。
【關鍵詞】：無人機 無尾布局 總體設計 螺旋槳動力配平 航時 縱向穩(wěn)定性 優(yōu)化設計 穩(wěn)健性
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V279
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 研究背景及意義14-15
• 1.2 國內(nèi)外研究進展15-23
• 1.2.1 無尾飛機設計15-19
• 1.2.2 增加飛機續(xù)航性能的方法19-20
• 1.2.3 小型電動無人機設計20-22
• 1.2.4 飛機穩(wěn)健性優(yōu)化設計22-23
• 1.3 需要進一步研究的問題23-24
• 1.4 論文的主要研究工作24-28
• 第2章 PTT小型無尾無人機總體方案初步設計28-40
• 2.1 PTT布局原理28-31
• 2.2 無人機任務剖面31-32
• 2.3 無人機總體布局32-33
• 2.4 無人機初始外形參數(shù)設計33-39
• 2.4.1 翼型選擇33-36
• 2.4.2 機翼設計36-37
• 2.4.3 翼梢小翼設計37-39
• 2.4.4 舵面設計39
• 2.5 本章小結(jié)39-40
• 第3章 PTT小型無尾無人機氣動性能收益研究40-54
• 3.1 風洞實驗40-43
• 3.1.1 實驗內(nèi)容40-41
• 3.1.2 實驗模型41-43
• 3.2 氣動力計算方法43-46
• 3.3 測試結(jié)果與分析46-51
• 3.3.1 無舵面偏轉(zhuǎn)測試46-48
• 3.3.2 升降副翼偏轉(zhuǎn)測試48-49
• 3.3.3 最大升力系數(shù)測試49-50
• 3.3.4 不同翼身軸線偏移量測試50-51
• 3.4 布局修正51-52
• 3.5 本章小結(jié)52-54
• 第4章 PTT小型電動無尾無人機總體設計計算模型54-84
• 4.1 無人機總體設計框架55
• 4.2 無人機任務要求55-56
• 4.3 總體參數(shù)與無尾飛機重心位置56-59
• 4.3.1 總體參數(shù)計算56-57
• 4.3.2 無尾飛機重心位置確定57-59
• 4.4 電動推進系統(tǒng)設計59-66
• 4.4.1 螺旋槳優(yōu)化設計60-63
• 4.4.2 無刷電機優(yōu)化選取63-66
• 4.5 電動無人機重量66-69
• 4.5.1 結(jié)構(gòu)重量66-69
• 4.5.2 電機重量69
• 4.6 PTT無尾無人機縱向穩(wěn)定性與縱向配平建模69-76
• 4.6.1 縱向靜穩(wěn)定性建模70-72
• 4.6.2 縱向配平建模72-73
• 4.6.3 縱向動穩(wěn)定性建模73-76
• 4.7 電動無人機航時76-81
• 4.7.1 鋰離子電池放電時間計算模型76-79
• 4.7.2 鋰離子電池放電實驗測試79-80
• 4.7.3 航時公式80-81
• 4.8 本章小結(jié)81-84
• 第5章 PTT小型電動無尾無人機續(xù)航性能收益研究84-96
• 5.1 遺傳算法優(yōu)化84-86
• 5.2 優(yōu)化結(jié)果與分析86-91
• 5.3 樣機試飛驗證91-95
• 5.3.1 樣機結(jié)構(gòu)設計與加工實物91-93
• 5.3.2 樣機試飛驗證93-95
• 5.4 本章小結(jié)95-96
• 第6章 PTT無尾無人機縱向穩(wěn)定性與縱向配平影響分析96-112
• 6.1 縱向靜穩(wěn)定性影響分析96-101
• 6.1.1 油門桿位置的影響96-98
• 6.1.2 螺旋槳俯仰偏轉(zhuǎn)角的影響98-99
• 6.1.3 翼身軸線偏移量的影響99-100
• 6.1.4 重心偏移量的影響100-101
• 6.1.5 螺旋槳尾力臂長度的影響101
• 6.2 縱向配平影響分析101-104
• 6.2.1 翼身軸線偏移量的影響102-103
• 6.2.2 重心偏移量的影響103
• 6.2.3 螺旋槳尾力臂長度的影響103-104
• 6.3 縱向動穩(wěn)定性影響分析104-110
• 6.3.1 與常規(guī)無尾布局對比104-106
• 6.3.2 翼身軸線偏移量的影響106-107
• 6.3.3 重心偏移量的影響107-108
• 6.3.4 螺旋槳尾力臂長度的影響108-109
• 6.3.5 飛行速度的影響109-110
• 6.4 本章小結(jié)110-112
• 第7章 PTT小型電動無尾無人機穩(wěn)健性優(yōu)化設計112-138
• 7.1 無人機穩(wěn)健性優(yōu)化設計環(huán)境112-115
• 7.1.1 穩(wěn)健性優(yōu)化概念112-113
• 7.1.2 無人機穩(wěn)健性優(yōu)化設計環(huán)境113-115
• 7.2 代理模型技術115-119
• 7.3 全局靈敏度分析119-126
• 7.3.1 Sobol’全局靈敏度分析119-122
• 7.3.2 全局靈敏度分析結(jié)果與討論122-126
• 7.4 穩(wěn)健性優(yōu)化126-127
• 7.5 穩(wěn)健性優(yōu)化結(jié)果與分析127-136
• 7.5.1 飛行狀態(tài)不確定性127-129
• 7.5.2 動力位置不確定性129-130
• 7.5.3 重心位置不確定性130-132
• 7.5.4 幾何變量不確定性132-134
• 7.5.5 舵面變量不確定性134-136
• 7.6 本章小結(jié)136-138
• 第8章 總結(jié)與展望138-142
• 8.1 全文工作總結(jié)138-140
• 8.2 論文創(chuàng)新點140
• 8.3 未來工作展望140-142
• 參考文獻142-152
• 附錄A-存在來流攻角的螺旋槳渦流理論計算模型152-158
• 附錄B-無刷電機計算模型158-160
• 致謝160-162
• 攻讀博士學位期間取得的學術成果162-164

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 辛健成;美國海軍無人機發(fā)展歷程[J];機器人技術與應用;2000年05期

2 時兆峰;以色列組建專門的無人機管理部門[J];飛航導彈;2001年10期

3 徐文;俄羅斯的無人機系統(tǒng)——格蘭特[J];飛航導彈;2003年07期

4 何一波;各國使用的主要輕型無人機[J];飛航導彈;2003年11期

5 馬曉平;系統(tǒng)工程學在無人機研制中的應用[J];航空科學技術;2003年04期

6 柯邊;“影子200”戰(zhàn)術無人機[J];航天電子對抗;2003年06期

7 溫羨嶠,李英;從美國無人機的發(fā)展來看無人機在未來戰(zhàn)爭中的應用前景[J];現(xiàn)代防御技術;2003年05期

8 王永壽;日本無人機的研究開發(fā)現(xiàn)狀與動向[J];飛航導彈;2003年08期

9 袁剛輝;徐志紅;;不斷壯大的俄羅斯無人機家族[J];現(xiàn)代兵器;2003年02期

10 徐文;俄羅斯無人機的發(fā)展現(xiàn)狀[J];飛航導彈;2004年02期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王林;張慶杰;朱華勇;沈林成;;遠程異地多無人機系統(tǒng)控制權切換技術研究[A];2009中國控制與決策會議論文集（3）[C];2009年

2 譚健美;張琚;閆娟;;信息無人機系統(tǒng)——無人機發(fā)展史上新的里程碑[A];第二屆中國航空學會青年科技論壇文集[C];2006年

3 黃愛鳳;鄧克緒;;民用無人機發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術[A];第九屆長三角科技論壇——航空航天科技創(chuàng)新與長三角經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展分論壇論文集[C];2012年

4 劉長亮;;無人機發(fā)動機氣道開度自適應機構(gòu)的設計與實現(xiàn)[A];2009年中國智能自動化會議論文集（第三分冊）[C];2009年

5 丁霖;;無人機系統(tǒng)人機交互界面淺析[A];探索 創(chuàng)新 交流（第4集）——第四屆中國航空學會青年科技論壇文集[C];2010年

6 劉澤坤;呂繼淮;;艦載無人機系統(tǒng)的環(huán)境適應性[A];人—機—環(huán)境系統(tǒng)工程創(chuàng)立20周年紀念大會暨第五屆全國人—機—環(huán)境系統(tǒng)工程學術會議論文集[C];2001年

7 葉烽;宋祖勛;;無人機系統(tǒng)電磁兼容性測試研究[A];第十四屆全國電磁兼容學術會議論文集[C];2004年

8 易當祥;呂國志;沈玲玲;;多級路況下車載無人機疲勞載荷仿真[A];第十二屆全國疲勞與斷裂學術會議論文集[C];2004年

9 錢正祥;金繼才;楊鷺怡;;未來局部戰(zhàn)爭中反無人機作戰(zhàn)對策研究[A];探索創(chuàng)新交流－－中國航空學會青年科技論壇文集[C];2004年

10 高鵬騏;晏磊;趙紅穎;何定洲;;無人機遙感控制平臺的設計與實現(xiàn)[A];第十五屆全國遙感技術學術交流會論文摘要集[C];2005年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 洪山;法國、德國和西班牙簽約共同研發(fā)三國無人機系統(tǒng)[N];中國航空報;2007年

2 崔璽康;對抗無人機所面臨的新挑戰(zhàn)[N];中國航空報;2007年

3 林英;無人機將進入現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)領域[N];光明日報;2007年

4 本報記者 陳永杰　馬佳;中國無人機亮相：戰(zhàn)爭“零傷亡”將實現(xiàn)[N];北京科技報;2008年

5 祖茜楓;“綜合者”：攜帶小導彈的小無人機[N];中國國防報;2008年

6 王磊;印度期望打造強大無人機部隊[N];學習時報;2009年

7 李荔;無人機“俯瞰”黃河災情[N];北京科技報;2011年

8 本報記者 宋斌斌;我國無人機應用高端化趨勢明顯[N];中國工業(yè)報;2011年

9 吳飛;反恐十年無人機扶搖直上[N];中國航空報;2011年

10 司古;美無人機遭神秘病毒入侵[N];國防時報;2011年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉洋;動態(tài)環(huán)境中的無人機路徑規(guī)劃研究[D];西北工業(yè)大學;2015年

2 高九州;無人機自主著陸控制[D];中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所);2016年

3 楊永明;無人機遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取與處理關鍵技術研究[D];昆明理工大學;2016年

4 孫小雷;基于多階段航跡預測的無人機任務規(guī)劃方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

5 張艷超;農(nóng)田信息低空遙感中圖像采集與處理的關鍵技術研究[D];浙江大學;2016年

6 王剛;一種螺旋槳動力配平的小型電動無尾無人機研究[D];西北工業(yè)大學;2016年

7 陳巖;蟻群優(yōu)化理論在無人機戰(zhàn)術控制中的應用研究[D];國防科學技術大學;2007年

8 林林;基于協(xié)同機制的多無人機任務規(guī)劃研究[D];北京郵電大學;2013年

9 劉春陽;無人機隱身技術若干問題研究[D];西安電子科技大學;2012年

10 王小剛;非線性濾波方法在無人機相對導航上的應用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 趙敏;分布式多類型無人機協(xié)同任務分配研究及仿真[D];南京理工大學;2009年

2 劉志花;無人機故障預測與健康管理技術研究[D];北京化工大學;2010年

3 劉愛兵;可變形無人機設計[D];南京航空航天大學;2009年

4 易姝姝;無人機飛行場景及數(shù)據(jù)的可視化仿真與實現(xiàn)[D];電子科技大學;2010年

5 張佳璐;無人機項目綜合評價研究[D];北京郵電大學;2011年

6 趙志鴻;某型無人機雙發(fā)火箭助推發(fā)射動力學建模與仿真研究[D];南京理工大學;2007年

7 李建華;某無人機發(fā)射系統(tǒng)技術研究[D];南京理工大學;2008年

8 戴世通;無人機飛行可視化仿真系統(tǒng)設計[D];西安理工大學;2008年

9 曹攀峰;敵對與非敵對環(huán)境下無人機群的協(xié)同搜索路徑與策略研究[D];復旦大學;2010年

10 張錫憲;無人機測控中數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D];電子科技大學;2009年

，

本文編號：659074