本文關(guān)鍵詞：扁簧式起落架無人機(jī)著陸滑跑關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：起落架是無人機(jī)地面緩沖裝置的核心組成部分,其性能不僅影響無人機(jī)著陸、滑跑等地面運(yùn)動的動態(tài)特性,而且直接關(guān)系到起降的安全。扁簧作為一種經(jīng)典的緩沖器形式,為眾多中小型無人機(jī)所采用。由于扁簧的結(jié)構(gòu)性能需要同時兼顧剛度、強(qiáng)度以及吸收沖擊能量等指標(biāo)要求,所以扁簧的設(shè)計(jì)一直是一個非常復(fù)雜的過程。因此,有必要對扁簧式起落架系統(tǒng)的運(yùn)動機(jī)理和建模方法進(jìn)行研究,從而借助仿真技術(shù)來指導(dǎo)起落架的設(shè)計(jì)與性能分析。本文針對扁簧式起落架無人機(jī),從扁簧的精確彈性建模入手,結(jié)合剛-柔耦合運(yùn)動機(jī)理研究,分別對扁簧結(jié)構(gòu)和起落架機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能進(jìn)行了分析,提出了通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的測試手段來研究起落架性能的方法,這對于指導(dǎo)扁簧和起落架系統(tǒng)的設(shè)計(jì),保證無人機(jī)良好的地面運(yùn)動特性,降低研發(fā)成本具有重要意義。為了建立更為接近真實(shí)系統(tǒng)的仿真模型,本文還搭建了多學(xué)科仿真平臺,結(jié)合滑跑糾偏控制器的設(shè)計(jì),對著陸、滑跑過程中,起落架動態(tài)性能和滑跑糾偏控制等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究,主要內(nèi)容包括:1.對基于模態(tài)疊加原理建立扁簧彈性模型的方法進(jìn)行了介紹,給出了模態(tài)坐標(biāo)微分方程的狀態(tài)空間描述方法以及模態(tài)縮減方法。針對扁簧在變形過程中旋轉(zhuǎn)變形較大的特點(diǎn),采用模態(tài)旋轉(zhuǎn)方法對扁簧進(jìn)行精確彈性建模,通過對變形體的運(yùn)動學(xué)分析,得到模態(tài)坐標(biāo)下旋轉(zhuǎn)變形的求解方法并將其引入模態(tài)坐標(biāo)微分方程,從而獲得了更為精確的扁簧彈性模型。進(jìn)行了典型懸臂梁算例和扁簧靜力學(xué)的仿真與試驗(yàn),結(jié)果表明在設(shè)計(jì)載荷范圍內(nèi)兩種模態(tài)方法均能夠保證5%以內(nèi)的計(jì)算誤差,在極限載荷情況下模態(tài)疊加方法的計(jì)算誤差已經(jīng)超過35%,而模態(tài)旋轉(zhuǎn)方法仍能夠保證10%以內(nèi)的計(jì)算誤差。2.對扁簧剛-柔耦合運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行研究,推導(dǎo)了浮動參考坐標(biāo)系下帶有拉格朗日乘子的扁簧剛-柔耦合動力學(xué)增廣矩陣方程。對浮動參考坐標(biāo)系中由于彈性變形與剛體運(yùn)動耦合導(dǎo)致的變形體質(zhì)量矩陣高度非線性的問題進(jìn)行了分析。兼顧方程的計(jì)算精度與解算效率,采用彈性動力學(xué)線性理論對動力學(xué)方程進(jìn)行簡化,結(jié)合扁簧彈性模型建立了扁簧式起落架的落震仿真模型。通過落震仿真與試驗(yàn),完成了對起落架動態(tài)性能的測試,并驗(yàn)證了落震模型的計(jì)算精度。3.將所提出的剛-柔耦合建模方法應(yīng)用于無人機(jī)多體動力學(xué)的研究,建立了包含前起落架,扁簧式起落架,輪胎,機(jī)體的無人機(jī)剛-柔耦合模型。并搭建了無人機(jī)多學(xué)科仿真平臺,對著陸過程中扁簧式起落架的動態(tài)特性進(jìn)行更為全面、系統(tǒng)的測試。仿真測試通過后,進(jìn)行了無人機(jī)物理樣機(jī)的外場首飛試驗(yàn)。4.采用主輪差動剎車的方式對無人機(jī)的低速滑跑階段進(jìn)行糾偏控制,基于遺傳算法對指定構(gòu)型的差動剎車糾偏控制律參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)設(shè)計(jì),適應(yīng)度函數(shù)的構(gòu)造同時考慮了控制器的糾偏和抗側(cè)風(fēng)性能。建立了無人機(jī)地面非線性數(shù)學(xué)模型用于糾偏控制器的設(shè)計(jì),并將多學(xué)科仿真平臺應(yīng)用于控制器的驗(yàn)證。差動剎車糾偏控制器表現(xiàn)出了良好的側(cè)向糾偏和航向操縱性能,能夠平穩(wěn)的消除側(cè)偏距離且未出現(xiàn)糾偏過量的現(xiàn)象。在持續(xù)4級側(cè)風(fēng)擾動條件下,仍能夠?qū)o人機(jī)的側(cè)偏距離控制在1.5m以內(nèi)。
【關(guān)鍵詞】：扁簧式起落架 彈性建模 模態(tài)旋轉(zhuǎn) 剛-柔耦合動力學(xué) 滑跑糾偏控制 遺傳算法 多學(xué)科仿真
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V279
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目錄9-12
• 第1章 緒論12-27
• 1.1 課題的研究背景及意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外發(fā)展歷史及現(xiàn)狀分析13-19
• 1.2.1 扁簧式起落架的應(yīng)用現(xiàn)狀13-16
• 1.2.2 飛行器多學(xué)科協(xié)同仿真發(fā)展16-18
• 1.2.3 無人機(jī)自主起降系統(tǒng)發(fā)展18-19
• 1.3 無人機(jī)著陸滑跑關(guān)鍵技術(shù)19-25
• 1.3.1 扁簧結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模與分析技術(shù)20-22
• 1.3.2 無人機(jī)剛-柔耦合建模與仿真技術(shù)22-24
• 1.3.3 滑跑糾偏控制技術(shù)24-25
• 1.4 主要研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排25-27
• 第2章 扁簧彈性建模方法研究27-49
• 2.1 引言27
• 2.2 扁簧結(jié)構(gòu)參數(shù)27-31
• 2.2.1 扁簧式起落架系統(tǒng)組成27-28
• 2.2.2 扁簧的復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)28-29
• 2.2.3 扁簧的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析結(jié)果29-31
• 2.3 模態(tài)疊加方法建模原理31-34
• 2.3.1 模態(tài)坐標(biāo)解耦振動微分方程31-32
• 2.3.2 彈性模型的狀態(tài)空間描述32-33
• 2.3.3 模態(tài)縮減方法33-34
• 2.4 模態(tài)方法下的類懸臂梁構(gòu)件彈性建模研究34-42
• 2.4.1 變形體的運(yùn)動學(xué)分析34-37
• 2.4.2 模態(tài)坐標(biāo)下旋轉(zhuǎn)變形的求解37-40
• 2.4.3 旋轉(zhuǎn)引入模態(tài)坐標(biāo)方程40-42
• 2.5 扁簧靜力學(xué)仿真與試驗(yàn)42-47
• 2.5.1 典型懸臂梁算例驗(yàn)證42-44
• 2.5.2 扁簧靜力加載測試44-47
• 2.6 本章小結(jié)47-49
• 第3章 扁簧剛-柔耦合運(yùn)動建模研究49-65
• 3.1 引言49-50
• 3.2 扁簧剛-柔耦合運(yùn)動學(xué)方程推導(dǎo)50-53
• 3.2.1 扁簧剛-柔耦合運(yùn)動學(xué)分析50-52
• 3.2.2 扁簧剛-柔耦合動力學(xué)方程52-53
• 3.3 彈性動力學(xué)線性理論53-56
• 3.4 扁簧式起落架落震仿真與試驗(yàn)56-64
• 3.4.1 落震試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)56-58
• 3.4.2 扁簧式起落架落震模型58
• 3.4.3 落震仿真與試驗(yàn)結(jié)果58-64
• 3.5 本章小結(jié)64-65
• 第4章 基于統(tǒng)一環(huán)境的無人機(jī)多學(xué)科仿真平臺開發(fā)65-87
• 4.1 引言65
• 4.2 無人機(jī)剛-柔耦合建模65-73
• 4.2.1 機(jī)身模型66-67
• 4.2.2 輪胎模型67-69
• 4.2.3 前起落架系統(tǒng)69-70
• 4.2.4 主起落架系統(tǒng)70
• 4.2.5 基于MATLAB/Simulink的剛-柔耦合建模70-73
• 4.3 多學(xué)科仿真平臺的搭建73-75
• 4.4 無人機(jī)著陸仿真與試驗(yàn)75-85
• 4.4.1 無人機(jī)著陸仿真76-80
• 4.4.2 樣機(jī)進(jìn)場著陸試驗(yàn)80-85
• 4.5 本章小結(jié)85-87
• 第5章 地面滑跑糾偏控制器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證87-107
• 5.1 引言87
• 5.2 無人機(jī)地面非線性數(shù)學(xué)模型87-93
• 5.2.1 地面對無人機(jī)的作用力88-92
• 5.2.2 滑跑動力學(xué)微分方程92-93
• 5.3 滑跑糾偏控制器設(shè)計(jì)93-98
• 5.3.1 差動剎車控制結(jié)構(gòu)93-94
• 5.3.2 控制律參數(shù)的尋優(yōu)設(shè)計(jì)94-98
• 5.4 數(shù)學(xué)模型仿真驗(yàn)證糾偏控制器98-102
• 5.5 多學(xué)科協(xié)同仿真驗(yàn)證糾偏控制器102-106
• 5.5.1 著陸-滑跑糾偏多學(xué)科仿真102-104
• 5.5.2 著陸-滑跑側(cè)風(fēng)擾動多學(xué)科仿真104-106
• 5.6 本章小結(jié)106-107
• 第6章 總結(jié)與展望107-111
• 6.1 全文總結(jié)107-109
• 6.1.1 全文主要工作總結(jié)107-108
• 6.1.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)與貢獻(xiàn)108-109
• 6.2 工作展望109-111
• 參考文獻(xiàn)111-121
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況121-122
• 指導(dǎo)教師及作者簡介122-123
• 致謝123

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