發(fā)布時間：2017-09-20 05:32

  本文關鍵詞：扁簧式起落架無人機著陸滑跑關鍵技術研究

  更多相關文章： 扁簧式起落架 彈性建模 模態(tài)旋轉 剛-柔耦合動力學 滑跑糾偏控制 遺傳算法 多學科仿真

【摘要】：起落架是無人機地面緩沖裝置的核心組成部分,其性能不僅影響無人機著陸、滑跑等地面運動的動態(tài)特性,而且直接關系到起降的安全。扁簧作為一種經(jīng)典的緩沖器形式,為眾多中小型無人機所采用。由于扁簧的結構性能需要同時兼顧剛度、強度以及吸收沖擊能量等指標要求,所以扁簧的設計一直是一個非常復雜的過程。因此,有必要對扁簧式起落架系統(tǒng)的運動機理和建模方法進行研究,從而借助仿真技術來指導起落架的設計與性能分析。本文針對扁簧式起落架無人機,從扁簧的精確彈性建模入手,結合剛-柔耦合運動機理研究,分別對扁簧結構和起落架機構的動態(tài)性能進行了分析,提出了通過仿真與試驗相結合的測試手段來研究起落架性能的方法,這對于指導扁簧和起落架系統(tǒng)的設計,保證無人機良好的地面運動特性,降低研發(fā)成本具有重要意義。為了建立更為接近真實系統(tǒng)的仿真模型,本文還搭建了多學科仿真平臺,結合滑跑糾偏控制器的設計,對著陸、滑跑過程中,起落架動態(tài)性能和滑跑糾偏控制等關鍵問題進行研究,主要內(nèi)容包括:1.對基于模態(tài)疊加原理建立扁簧彈性模型的方法進行了介紹,給出了模態(tài)坐標微分方程的狀態(tài)空間描述方法以及模態(tài)縮減方法。針對扁簧在變形過程中旋轉變形較大的特點,采用模態(tài)旋轉方法對扁簧進行精確彈性建模,通過對變形體的運動學分析,得到模態(tài)坐標下旋轉變形的求解方法并將其引入模態(tài)坐標微分方程,從而獲得了更為精確的扁簧彈性模型。進行了典型懸臂梁算例和扁簧靜力學的仿真與試驗,結果表明在設計載荷范圍內(nèi)兩種模態(tài)方法均能夠保證5%以內(nèi)的計算誤差,在極限載荷情況下模態(tài)疊加方法的計算誤差已經(jīng)超過35%,而模態(tài)旋轉方法仍能夠保證10%以內(nèi)的計算誤差。2.對扁簧剛-柔耦合運動機理進行研究,推導了浮動參考坐標系下帶有拉格朗日乘子的扁簧剛-柔耦合動力學增廣矩陣方程。對浮動參考坐標系中由于彈性變形與剛體運動耦合導致的變形體質量矩陣高度非線性的問題進行了分析。兼顧方程的計算精度與解算效率,采用彈性動力學線性理論對動力學方程進行簡化,結合扁簧彈性模型建立了扁簧式起落架的落震仿真模型。通過落震仿真與試驗,完成了對起落架動態(tài)性能的測試,并驗證了落震模型的計算精度。3.將所提出的剛-柔耦合建模方法應用于無人機多體動力學的研究,建立了包含前起落架,扁簧式起落架,輪胎,機體的無人機剛-柔耦合模型。并搭建了無人機多學科仿真平臺,對著陸過程中扁簧式起落架的動態(tài)特性進行更為全面、系統(tǒng)的測試。仿真測試通過后,進行了無人機物理樣機的外場首飛試驗。4.采用主輪差動剎車的方式對無人機的低速滑跑階段進行糾偏控制,基于遺傳算法對指定構型的差動剎車糾偏控制律參數(shù)進行尋優(yōu)設計,適應度函數(shù)的構造同時考慮了控制器的糾偏和抗側風性能。建立了無人機地面非線性數(shù)學模型用于糾偏控制器的設計,并將多學科仿真平臺應用于控制器的驗證。差動剎車糾偏控制器表現(xiàn)出了良好的側向糾偏和航向操縱性能,能夠平穩(wěn)的消除側偏距離且未出現(xiàn)糾偏過量的現(xiàn)象。在持續(xù)4級側風擾動條件下,仍能夠將無人機的側偏距離控制在1.5m以內(nèi)。
【關鍵詞】：扁簧式起落架 彈性建模 模態(tài)旋轉 剛-柔耦合動力學 滑跑糾偏控制 遺傳算法 多學科仿真
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V279
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目錄9-12
• 第1章 緒論12-27
• 1.1 課題的研究背景及意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外發(fā)展歷史及現(xiàn)狀分析13-19
• 1.2.1 扁簧式起落架的應用現(xiàn)狀13-16
• 1.2.2 飛行器多學科協(xié)同仿真發(fā)展16-18
• 1.2.3 無人機自主起降系統(tǒng)發(fā)展18-19
• 1.3 無人機著陸滑跑關鍵技術19-25
• 1.3.1 扁簧結構動力學建模與分析技術20-22
• 1.3.2 無人機剛-柔耦合建模與仿真技術22-24
• 1.3.3 滑跑糾偏控制技術24-25
• 1.4 主要研究內(nèi)容與結構安排25-27
• 第2章 扁簧彈性建模方法研究27-49
• 2.1 引言27
• 2.2 扁簧結構參數(shù)27-31
• 2.2.1 扁簧式起落架系統(tǒng)組成27-28
• 2.2.2 扁簧的復合材料鋪層設計28-29
• 2.2.3 扁簧的結構動力學分析結果29-31
• 2.3 模態(tài)疊加方法建模原理31-34
• 2.3.1 模態(tài)坐標解耦振動微分方程31-32
• 2.3.2 彈性模型的狀態(tài)空間描述32-33
• 2.3.3 模態(tài)縮減方法33-34
• 2.4 模態(tài)方法下的類懸臂梁構件彈性建模研究34-42
• 2.4.1 變形體的運動學分析34-37
• 2.4.2 模態(tài)坐標下旋轉變形的求解37-40
• 2.4.3 旋轉引入模態(tài)坐標方程40-42
• 2.5 扁簧靜力學仿真與試驗42-47
• 2.5.1 典型懸臂梁算例驗證42-44
• 2.5.2 扁簧靜力加載測試44-47
• 2.6 本章小結47-49
• 第3章 扁簧剛-柔耦合運動建模研究49-65
• 3.1 引言49-50
• 3.2 扁簧剛-柔耦合運動學方程推導50-53
• 3.2.1 扁簧剛-柔耦合運動學分析50-52
• 3.2.2 扁簧剛-柔耦合動力學方程52-53
• 3.3 彈性動力學線性理論53-56
• 3.4 扁簧式起落架落震仿真與試驗56-64
• 3.4.1 落震試驗臺設計56-58
• 3.4.2 扁簧式起落架落震模型58
• 3.4.3 落震仿真與試驗結果58-64
• 3.5 本章小結64-65
• 第4章 基于統(tǒng)一環(huán)境的無人機多學科仿真平臺開發(fā)65-87
• 4.1 引言65
• 4.2 無人機剛-柔耦合建模65-73
• 4.2.1 機身模型66-67
• 4.2.2 輪胎模型67-69
• 4.2.3 前起落架系統(tǒng)69-70
• 4.2.4 主起落架系統(tǒng)70
• 4.2.5 基于MATLAB/Simulink的剛-柔耦合建模70-73
• 4.3 多學科仿真平臺的搭建73-75
• 4.4 無人機著陸仿真與試驗75-85
• 4.4.1 無人機著陸仿真76-80
• 4.4.2 樣機進場著陸試驗80-85
• 4.5 本章小結85-87
• 第5章 地面滑跑糾偏控制器的設計與驗證87-107
• 5.1 引言87
• 5.2 無人機地面非線性數(shù)學模型87-93
• 5.2.1 地面對無人機的作用力88-92
• 5.2.2 滑跑動力學微分方程92-93
• 5.3 滑跑糾偏控制器設計93-98
• 5.3.1 差動剎車控制結構93-94
• 5.3.2 控制律參數(shù)的尋優(yōu)設計94-98
• 5.4 數(shù)學模型仿真驗證糾偏控制器98-102
• 5.5 多學科協(xié)同仿真驗證糾偏控制器102-106
• 5.5.1 著陸-滑跑糾偏多學科仿真102-104
• 5.5.2 著陸-滑跑側風擾動多學科仿真104-106
• 5.6 本章小結106-107
• 第6章 總結與展望107-111
• 6.1 全文總結107-109
• 6.1.1 全文主要工作總結107-108
• 6.1.2 本文的創(chuàng)新點與貢獻108-109
• 6.2 工作展望109-111
• 參考文獻111-121
• 在學期間學術成果情況121-122
• 指導教師及作者簡介122-123
• 致謝123

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