一种无人直升机飞行仿真动力学建模与程序开发

发布时间：2017-08-25 02:37

  本文关键词：一种无人直升机飞行仿真动力学建模与程序开发

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【摘要】：对于无人直升机系统在军工和民用领域都有着广泛的应用,并会在国内外成为研究的重点内容。其中飞行仿真在整个无人直升机系统研制过程中占有非常重要的地位,它能够缩短研发周期、减少研发费用、降低试飞风险等。本文主要研究的是共轴双旋翼无人直升机飞行仿真动力学建模和程序开发。共轴双旋翼无人直升机动力学解算主要采用的是分部件建模方法。其中旋翼气动力和力矩的计算主要是通过诱导速度解算模型实时计算旋翼诱导速度,运用桨叶挥舞方程求出桨叶挥舞角,最后通过叶素理论积分得到旋翼的气动力和力矩。对于机体气动力和力矩是通过CFD仿真得出机体的气动系数,再考虑旋翼与机体的气动耦合性,最终得出机体各部分的气动载荷。除此之外,还需要加入起落架动力学模型、操纵控制方法、尾推涵道模型等其他组成部分。本系统采用面向对象C++编程语言,其中集成开发环境为VS2010,以开源OSG为系统提供视景仿真平台,采用osgEarth建立具有真实地理信息的飞行仿真地形。利用3ds Max三维建模软件对系统模型进行构建和材质贴图处理。通过操纵杆或键盘控制直升机的飞行仿真模拟。最后,本系统以动力学模型为支撑框架,通过OSG和osgEarth对飞行仿真视景进行渲染。实现了一种具有自主知识产权的共轴双旋翼无人直升机飞行仿真系统。
【关键词】：共轴双旋翼 飞行仿真 诱导速度 动力学模型 OSG
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V275.1
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 主要符号表11-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究的背景与意义12
• 1.2 无人直升机研究现状及技术难点12-16
• 1.2.1 无人直升机国外发展概况12-14
• 1.2.2 无人直升机国内发展概况14-15
• 1.2.3 无人直升机建模过程中的技术难点15-16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 第2章 无人直升机飞行仿真动力学基础18-38
• 2.1 概述18
• 2.2 直升机的操纵原理18-19
• 2.2.1 直升机操纵的基本概念18
• 2.2.2 直升机操纵机构18-19
• 2.3 直升机旋翼的气动特性19-23
• 2.3.1 旋翼桨叶运动19-21
• 2.3.2 旋翼系统的结构21
• 2.3.3 旋翼基本参数21-23
• 2.4 旋翼桨叶翼型空气动力学特性23-25
• 2.4.1 翼型的升力特性23
• 2.4.2 翼型的阻力特性23-24
• 2.4.3 翼型的俯仰力矩特性24-25
• 2.4.4 马赫数和雷诺数对翼型空气动力学特性的影响25
• 2.5 旋翼计算的基本理论25-34
• 2.5.1 旋翼的动量理论26-29
• 2.5.2 旋翼的叶素理论29-34
• 2.5.3 旋翼的涡流理论34
• 2.6 飞行过程中数值计算方法34-38
• 2.6.1 飞行仿真插值方法34-36
• 2.6.2 飞行仿真积分方法36-38
• 第3章 共轴双旋翼无人直升机飞行仿真系统建模38-66
• 3.1 概述38
• 3.2 飞行仿真中使用的坐标系38-43
• 3.2.1 地球坐标系O_E-X_EY_EZ_E38-39
• 3.2.2 地面坐标系O_e-X_eY_eZ_e39-40
• 3.2.3 机体坐标系O_t-X_tY_tZ_t40
• 3.2.4 机体坐标系Ot-X_tY_tZ_t与地面坐标系的O_e-X_eY_eZ_e的关系40-43
• 3.2.5 各组件的当地坐标系和参考坐标系43
• 3.3 无人直升机旋翼空气动力学建模43-55
• 3.3.1 坐标系之间的转换43-47
• 3.3.2 诱导速度解算模型47-49
• 3.3.3 桨叶挥舞运动方程求解49-52
• 3.3.4 旋翼的气动力和气动力矩52-54
• 3.3.5 共轴双旋翼气动力和气动力矩54-55
• 3.4 无人直升机机身动力学建模55-58
• 3.4.1 概述55
• 3.4.2 机身坐标系间的转换55-56
• 3.4.3 机身气动系数56-57
• 3.4.4 机身气动力和气动力矩的计算57-58
• 3.5 无人直升机尾推涵道动力学模型58
• 3.6 无人直升机起落架动力学建模58-61
• 3.6.1 概述58
• 3.6.2 起落架力和力矩计算58-61
• 3.7 整机动力学建模61-64
• 3.7.1 概述61
• 3.7.2 无人直升机运动轨迹解算61-64
• 3.8 共轴双旋翼无人直升机的控制方法64-66
• 第4章 共轴双旋翼无人直升机飞行仿真视景平台66-73
• 4.1 概述66
• 4.2 基于 3DS MAX无人直升机建模66-67
• 4.3 基于OSG的三维视景平台的搭建67-70
• 4.3.1 场景图形与OSG介绍67-68
• 4.3.2 OSG的安装和使用68-70
• 4.4 基于OSGEARTH的地形建模70-73
• 4.4.1 地形数据的制作和处理70-71
• 4.4.2 earth文件的构建71-72
• 4.4.3 机场地形的渲染72-73
• 第5章 无人直升机动力学程序开发73-81
• 5.1 概述73
• 5.2 飞行仿真系统的组成和系统类的划分73-75
• 5.2.1 共轴双旋翼无人直升机仿真系统组成73-74
• 5.2.2 共轴双旋翼无人直升机类的设计74-75
• 5.3 动力学建模的计算流程75-76
• 5.4 操纵设备及其控键输入76-77
• 5.5 飞行仿真平台模块构成77-78
• 5.6 共轴双旋翼无人直升机仿真系统的展示与分析78-81
• 结论81-83
• 参考文献83-86
• 致谢86-87
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文87

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