扁簧式起落架无人机着陆滑跑关键技术研究

发布时间：2017-09-20 05:32

  本文关键词：扁簧式起落架无人机着陆滑跑关键技术研究

  更多相关文章： 扁簧式起落架 弹性建模 模态旋转 刚-柔耦合动力学 滑跑纠偏控制 遗传算法 多学科仿真

【摘要】：起落架是无人机地面缓冲装置的核心组成部分,其性能不仅影响无人机着陆、滑跑等地面运动的动态特性,而且直接关系到起降的安全。扁簧作为一种经典的缓冲器形式,为众多中小型无人机所采用。由于扁簧的结构性能需要同时兼顾刚度、强度以及吸收冲击能量等指标要求,所以扁簧的设计一直是一个非常复杂的过程。因此,有必要对扁簧式起落架系统的运动机理和建模方法进行研究,从而借助仿真技术来指导起落架的设计与性能分析。本文针对扁簧式起落架无人机,从扁簧的精确弹性建模入手,结合刚-柔耦合运动机理研究,分别对扁簧结构和起落架机构的动态性能进行了分析,提出了通过仿真与试验相结合的测试手段来研究起落架性能的方法,这对于指导扁簧和起落架系统的设计,保证无人机良好的地面运动特性,降低研发成本具有重要意义。为了建立更为接近真实系统的仿真模型,本文还搭建了多学科仿真平台,结合滑跑纠偏控制器的设计,对着陆、滑跑过程中,起落架动态性能和滑跑纠偏控制等关键问题进行研究,主要内容包括:1.对基于模态叠加原理建立扁簧弹性模型的方法进行了介绍,给出了模态坐标微分方程的状态空间描述方法以及模态缩减方法。针对扁簧在变形过程中旋转变形较大的特点,采用模态旋转方法对扁簧进行精确弹性建模,通过对变形体的运动学分析,得到模态坐标下旋转变形的求解方法并将其引入模态坐标微分方程,从而获得了更为精确的扁簧弹性模型。进行了典型悬臂梁算例和扁簧静力学的仿真与试验,结果表明在设计载荷范围内两种模态方法均能够保证5%以内的计算误差,在极限载荷情况下模态叠加方法的计算误差已经超过35%,而模态旋转方法仍能够保证10%以内的计算误差。2.对扁簧刚-柔耦合运动机理进行研究,推导了浮动参考坐标系下带有拉格朗日乘子的扁簧刚-柔耦合动力学增广矩阵方程。对浮动参考坐标系中由于弹性变形与刚体运动耦合导致的变形体质量矩阵高度非线性的问题进行了分析。兼顾方程的计算精度与解算效率,采用弹性动力学线性理论对动力学方程进行简化,结合扁簧弹性模型建立了扁簧式起落架的落震仿真模型。通过落震仿真与试验,完成了对起落架动态性能的测试,并验证了落震模型的计算精度。3.将所提出的刚-柔耦合建模方法应用于无人机多体动力学的研究,建立了包含前起落架,扁簧式起落架,轮胎,机体的无人机刚-柔耦合模型。并搭建了无人机多学科仿真平台,对着陆过程中扁簧式起落架的动态特性进行更为全面、系统的测试。仿真测试通过后,进行了无人机物理样机的外场首飞试验。4.采用主轮差动刹车的方式对无人机的低速滑跑阶段进行纠偏控制,基于遗传算法对指定构型的差动刹车纠偏控制律参数进行寻优设计,适应度函数的构造同时考虑了控制器的纠偏和抗侧风性能。建立了无人机地面非线性数学模型用于纠偏控制器的设计,并将多学科仿真平台应用于控制器的验证。差动刹车纠偏控制器表现出了良好的侧向纠偏和航向操纵性能,能够平稳的消除侧偏距离且未出现纠偏过量的现象。在持续4级侧风扰动条件下,仍能够将无人机的侧偏距离控制在1.5m以内。
【关键词】：扁簧式起落架 弹性建模 模态旋转 刚-柔耦合动力学 滑跑纠偏控制 遗传算法 多学科仿真
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 课题的研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外发展历史及现状分析13-19
• 1.2.1 扁簧式起落架的应用现状13-16
• 1.2.2 飞行器多学科协同仿真发展16-18
• 1.2.3 无人机自主起降系统发展18-19
• 1.3 无人机着陆滑跑关键技术19-25
• 1.3.1 扁簧结构动力学建模与分析技术20-22
• 1.3.2 无人机刚-柔耦合建模与仿真技术22-24
• 1.3.3 滑跑纠偏控制技术24-25
• 1.4 主要研究内容与结构安排25-27
• 第2章 扁簧弹性建模方法研究27-49
• 2.1 引言27
• 2.2 扁簧结构参数27-31
• 2.2.1 扁簧式起落架系统组成27-28
• 2.2.2 扁簧的复合材料铺层设计28-29
• 2.2.3 扁簧的结构动力学分析结果29-31
• 2.3 模态叠加方法建模原理31-34
• 2.3.1 模态坐标解耦振动微分方程31-32
• 2.3.2 弹性模型的状态空间描述32-33
• 2.3.3 模态缩减方法33-34
• 2.4 模态方法下的类悬臂梁构件弹性建模研究34-42
• 2.4.1 变形体的运动学分析34-37
• 2.4.2 模态坐标下旋转变形的求解37-40
• 2.4.3 旋转引入模态坐标方程40-42
• 2.5 扁簧静力学仿真与试验42-47
• 2.5.1 典型悬臂梁算例验证42-44
• 2.5.2 扁簧静力加载测试44-47
• 2.6 本章小结47-49
• 第3章 扁簧刚-柔耦合运动建模研究49-65
• 3.1 引言49-50
• 3.2 扁簧刚-柔耦合运动学方程推导50-53
• 3.2.1 扁簧刚-柔耦合运动学分析50-52
• 3.2.2 扁簧刚-柔耦合动力学方程52-53
• 3.3 弹性动力学线性理论53-56
• 3.4 扁簧式起落架落震仿真与试验56-64
• 3.4.1 落震试验台设计56-58
• 3.4.2 扁簧式起落架落震模型58
• 3.4.3 落震仿真与试验结果58-64
• 3.5 本章小结64-65
• 第4章 基于统一环境的无人机多学科仿真平台开发65-87
• 4.1 引言65
• 4.2 无人机刚-柔耦合建模65-73
• 4.2.1 机身模型66-67
• 4.2.2 轮胎模型67-69
• 4.2.3 前起落架系统69-70
• 4.2.4 主起落架系统70
• 4.2.5 基于MATLAB/Simulink的刚-柔耦合建模70-73
• 4.3 多学科仿真平台的搭建73-75
• 4.4 无人机着陆仿真与试验75-85
• 4.4.1 无人机着陆仿真76-80
• 4.4.2 样机进场着陆试验80-85
• 4.5 本章小结85-87
• 第5章 地面滑跑纠偏控制器的设计与验证87-107
• 5.1 引言87
• 5.2 无人机地面非线性数学模型87-93
• 5.2.1 地面对无人机的作用力88-92
• 5.2.2 滑跑动力学微分方程92-93
• 5.3 滑跑纠偏控制器设计93-98
• 5.3.1 差动刹车控制结构93-94
• 5.3.2 控制律参数的寻优设计94-98
• 5.4 数学模型仿真验证纠偏控制器98-102
• 5.5 多学科协同仿真验证纠偏控制器102-106
• 5.5.1 着陆-滑跑纠偏多学科仿真102-104
• 5.5.2 着陆-滑跑侧风扰动多学科仿真104-106
• 5.6 本章小结106-107
• 第6章 总结与展望107-111
• 6.1 全文总结107-109
• 6.1.1 全文主要工作总结107-108
• 6.1.2 本文的创新点与贡献108-109
• 6.2 工作展望109-111
• 参考文献111-121
• 在学期间学术成果情况121-122
• 指导教师及作者简介122-123
• 致谢123

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