无人机绳钩回收过程动力学分析与控制

发布时间：2020-11-11 00:32

　　 精确定点无损回收技术是制约固定翼无人机上舰及适应复杂地域使用的关键技术。绳钩回收技术是一种可以在陆基/海基等静动态平台及其狭小空间内实现小型固定翼无人机精确定点无损回收的先进技术。无人机绳钩回收过程本质上是一个复杂的非线性动力学问题,必须建立有效的动力学模型才能获得准确的响应。本文首先基于拉格朗日动力学方程,建立了固定阻尼的无人机绳钩回收动力学模型,通过与类似文献模型的对比验证了它的准确性。在得到近似动力学模型的基础上,分别对各个回收设计参数进行探索,并为回收系统总体设计提供有益的参考。其次,本文基于MSC.ADAMS平台还建立了绳钩回收的多体动力学模型。两种模型皆证明固定阻尼绳钩回收装置存在过载峰值偏高与过载变化迅速的缺陷。之后,为改进这一缺陷,考虑绳钩回收系统阻尼力可控的情况,在固定阻尼回收动力学模型的基础上建立了可变阻尼回收动力学模型。基于Gauss伪谱法,考虑各项约束并以加速度变化率最小与拦阻力最小为目标函数进行最优控制计算,计算结果显示无人机回收过载峰值明显降低。可以看出,Gauss伪谱法针对此问题有很好的离线优化效果,可作为最优规划值使用。最后,为了在线实现最优规划值,通过反馈线性化的方法,利用LQR对解耦后的系统进行反馈跟踪控制并进行仿真。再将此反馈跟踪方法进一步推广到多体动力学模型中,进行Matlab/ADAMS联合仿真。仿真结果显示规划结果大部分被保留下来,可变阻尼系统对比固定阻尼系统有着过载峰值更小和回收效率更高的优势。说明对绳钩回收系统进行阻尼力控制可以显著降低回收过载峰值和过载波动,有利于提高无人机回收时的安全性与稳定性。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279
【部分图文】：

的回收场地面积小且受回收地形条件影响小，因此它专用的着陆发动机或是利用矢量发动机提供的推力与由回收装置、导引装置与阻尼装置三部分组成。回收、车载或是舰载)，锁钩(布置在翼尖或是机身)以及拦阻固定翼无人机通过导引装置的引导，使翼尖或机体小连接吸能装置，触绳后系统缓慢吸收无人机的机械能拦阻回收[22]。小型固定翼无人机的回收方式[21-23]，相比于撞网回收。它可以实现逃逸复飞，而且回收后处理所耗费的时伞降回收，绳钩回收在回收时不会对无人机造成伤害舰船上有着不错的效果[24]。

南京航空航天大学硕士学位论文动力学方程： 1022110 10 12 2 2 210 102022220 20 22 2 2 22020)( ) ( )( ) ( )xx y y R xmx K x y R R cx R y x R yxx y y R xK x R y R c cxx R y x R y (3.6 1022 10110 10 12 2 2 210 102022 20220 20 22 2 2 22020)( ) ( )( ) ( )xx y y R R ymy K x y R R cx R y x R yxx y y R R yK x R y R c mg cyx R y x R y (3.7此动力学方程可以基于 MATLAB 平台采用 ODE45 法进行求解。依据文献提供的工况，利用两自由度模型的仿真结果与文献[24]中的类似模型的结果进行对行对比。工况如下：无人机质量为 20kg，回收速度为 25m/s，上段绳长 7.5m，下段绳长 7.5m，簧刚度为 367N/m，下段弹簧刚度为 128N/m，阻尼均为 30Nm/s。

图 3.4~3.7 中反应对于不同参数，不同参数取值下的无人机加速度与速度响应图像，基准工况如表 3.1 所示。在参数探索中，简化考虑动力学模型，认为上下段的弹簧刚度与阻尼相等即 k1=k2=k，c1=c2=c。表 3. 1 无人机绳钩回收基准仿真工况参数名称 数值 单位无人机质量 20 kg回收初始速度 25 m/s弹簧刚度 300 N/m阻尼器阻尼 30 Ns/m拦阻绳长 15 m撞绳点离地面距离 7.5 m图 3.4 展示了不同弹簧刚度下，无人机的加速度与速度时域图像。随着刚度增加，无人机回收时的加速度峰值随之上升，且回收速度变化更加剧烈，曲线明显左移。刚度由 200 增大到400 时，加速度峰值上升 70%，在第一次回弹后的无人机速度上升 26%。
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本文编号：2878510