无人机低频刹车与地面滑跑稳定性研究

发布时间：2020-05-28 14:40

【摘要】：无人机起飞和着陆过程是无人机整个飞行过程最关键的阶段之一,而其地面滑跑过程中频发的冲出跑道、侧翻以及起落架折断等事故严重影响着无人机的安全性能。高空高速无人机的发展以及新型控制系统与新材料技术的大量涌现,对起落架以及地面操纵系统的性能提出了更大的挑战。因此开展对无人机刹车及地面滑跑过程中带来的动力学、稳定性与控制问题的研究,对指导起落架以及地面操纵控制系统设计、提高无人机地面滑跑稳定性具有重要意义。首先基于劳斯判据及Lyapunov稳定性判别方法,分析了滑移率式、减速率式及两者结合方式的全电刹车系统的稳定性,从理论上推导出了保证刹车系统稳定性的条件。在考虑传感器噪声对刹车系统影响的基础上,设计了一套适用于某型无人机的混合式防滑刹车控制律,在不同跑道路面的工况下对三自由度无人机地面刹车滑跑模型进行了仿真分析,表明了所设计的混合式刹车控制系统能够提高刹车系统工作平稳性,减小系统的振荡。提出了采用非线性动力学应用分岔理论研究无人机地面滑跑转弯稳定性问题,建立了全机地面滑跑六自由度动力学模型,通过数值延拓算法快速准确地分析了无人机转弯运动状态随各参数的变化关系,研究了无人机地面匀速直线运动速度、转弯时的切向速度、前轮转角、方向舵面积、主轮距及路面摩擦系数对其转弯方向稳定性的影响,得到了单参数及双参数分岔稳定区域图。对无人机转弯过程受力特性及运动特点进行了分析,揭示了无人机转弯出现失稳现象的本质原因是轮胎侧向力饱和之后仍不能给无人机提供足够的圆周运动向心力。为提高模型精确度、降低无人机全尺寸试验的风险,将多学科协同仿真技术应用于研究综合纠偏控制系统对无人机滑跑方向的操纵效果,在LMS Virtual.Lab Motion中建立了高速无人机地面滑跑刚柔耦合虚拟样机动力学模型,利用Hyper Mesh/NASTRAN有限元软件对起落架进行模态分析,在MATLAB/Simulink中建立全电刹车系统及各力学子系统模型,在Visual Studio中编写刹车及纠偏控制模型C语言代码,通过各软件之间的数据接口对无人机地面滑跑纠偏模型进行了多学科协同仿真分析。通过对方向舵、前轮转弯及主轮差动刹车子系统的分析,采用优化方法设计了主动联合纠偏控制系统。在不同侧向扰动干扰的工况下,验证了联合纠偏系统都具有很好的方向稳定性及较高的刹车效率。分别采用虚拟样机技术及拉格朗日第二类方程,建立了起落架抖振动分析模型,对比验证了两个模型的符合程度,指出刹车抖振动力学响应与刹车控制系统间的相互耦合作用,将起落架纵向抖振对刹车机轮实际滑移率的影响引入刹车抖振分析模型中,分析了起落架发生抖振现象的振动机理,研究了起落架系统结构参数及刹车力矩对抖振的影响规律。基于多学科优化方法,提出采用短时傅里叶变换方法研究整个时间域内抖振的幅频特性,对起落架抖振系统各参数进行了敏感性分析,设计了合理的性能评价指标和约束条件,提出了前馈控制与反馈控制结合的刹车控制方式以减缓刹车抖振现象,并给出了刹车抖振角度与刹车效率之间的权衡关系。最后,将传统防滑刹车系统及基于智能控制的新型防滑刹车控制系统应用于起落架抖振分析模型,对比了不同刹车系统对起落架抖振响应的影响,并在不同工况下验证了加入模糊控制的复合刹车控制律具有良好的稳定性和适应性。
【图文】：

机刹车系统失灵、跑道路面状况多变、起落架故障以及飞机方向操纵控制系统不工作等。一些典型地面滑跑阶段的安全事故如图 1.1 所示。1999 年 12 月，一架 RQ-4 Global Hawk 全球鹰无人机在跑道上滑跑时发生事故，其中一个传感器系统遭到损坏。2008 年 3 月，一架来自印度尼西亚亚当航空公司的波音 737-400 客机在巴淡岛机场着陆时，因地面湿滑冲出跑道，导致 5 人受伤（见图 1.1(b)）。2008 年 8 月，一架客机在西班牙马德里机场起飞时突然冲出跑道并失火，至少造成近百人死亡。巴西里约热内卢一架小型飞机在着陆时一个轮胎爆胎，导致飞机偏离跑道，冲进附近的海湾（见图 1.1(c)）。2015 年 5 月，我国新舟 60 客机在降落时起落架折断，冲出跑道，造成机上 3 名乘客受轻伤（见图 1.1(d)）。(a)恶劣天气飞机侧翻 (b)B737-400 型客机冲出跑道

图 1.2 所示为歼 8 飞机着陆滑跑图和主起落架图。起落架结构振动载荷会其疲劳寿命，严重时甚至会引起飞行事故。如何准确辨识起落架的振动特性，并通过结计和振动控制来尽量减小不利振动，一直是起落架设计中的重点和难点问题[24]。研究架与刹车机轮及其振动规律，确定振动幅频特性与振动剧烈的部件，在此基础上合理设滑刹车控制律，，将为减弱甚至避免起落架纵向抖振现象提供理论依据。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279

【参考文献】

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本文编号：2685389