高马赫数无人机概念设计的外形参数化建模

       设计出一类推进系统与气动布局一体化的临近空间高马赫数(Ma=3.5)无人机概念方案.为了能对这类无人机概念方案进行快速设计与评估,需要建立一种精确的、简便的表达概念方案的参数化几何模型.应用形函数/类函数、拉格朗日插值多项式和B样条曲线方法,建立了一种能够精确描述该类无人机概念方案的数学模型.基于该数学模型,应用CATIA软件二次开发方法,用VB编程实现了无人机概念方案的三维外形的自动生成.选取双后掠机翼、单后掠机翼和准菱形机翼3种典型的高马赫数气动布局方案作为测试算例,测试结果表明所开发的VB程序能够快速且足够精确地创建高马赫数无人机概念方案的三维外形。

       四旋翼无人机的飞行控制是当前无人机研究领域的一个热点,目前的控制设计多采用MATLAB/Simulink进行数值仿真验证,仿真环境中较少考虑机载设备的作用.而在无人机原型开发过程中,又多采用现场调试的方法,不易快速更改控制算法及参数.为提高飞行控制算法开发时的效率,设计并实现了一种四旋翼无人机可视化半实物仿真平台.利用MATLAB实时视窗系统搭建了平台的主框架,将四旋翼无人机的惯性导航传感器及电机控制系统融入平台之中.并且利用了开源飞行模拟软件FlightGear,及对虚拟地球仪软件Google Earth的二次开发,为仿真平台增添了无人机位置、姿态以及航迹的三维可视化显示功能.实验结果表明,该平台运行稳定可靠。

       风梯度滑翔是一种能够使飞行器从飞行环境中获取能量的飞行方式。在已建立的飞行器动力学模型的基础上,分析了无人机在已知的梯度风场中一个滑翔周期内的能量变化过程。采取分段解析的方法,将一个风梯度滑翔周期分为4个阶段进行分析,即逆风爬升、高空转弯、顺风下滑和低空转弯,其中高空转弯为整个滑翔周期内的关键阶段。采用三维空间路径结合二维平面投影的计算方法,详细分析了无人机在高空转弯过程中的运动方程和能量转化方程,同时分析了影响飞行器从梯度风场中获取能量以及梯度风场中由于空气阻力导致飞行器能量损失的相关参数,为无人机最大程度地从梯度风场中获取能量,同时减少自身能源损耗提供了理论指导,并且根据理论建模进行了仿真分析,得出了逆风爬升和高空转弯的初期是获取能量主要阶段的结论,对指导无动力滑翔有很大的意义。


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