CN113221479A - 一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法 - Google Patents

一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，通过考虑降雨参数、计算雨滴撞击过程中所产生的力和力矩、考虑水膜附着的无人机气动特性，对无人机进行飞行动力学建模；以小扰动线化模型为基础，考虑降雨引起的附加力和力矩对于纵向飞行性能的影响，建立降雨影响的无人机飞行动力学模型。本发明的方法能够有效得到降雨天气下无人机飞行性能情况，从而为相关设计提供指导思想，提高无人机的全天候飞行能力。

Description

一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，可以用于无人机在降雨情况下飞行性能和飞行控制方法的研究。
背景技术
无人机在降雨条件下飞行时会对其飞行性能产生巨大的影响，包括各个舵面、机翼、尾翼的气动性能，从而恶化飞行的稳定性操纵性，增加飞行阻力减小升力，这将会严重影响长航时无人机全天候飞行的能力。因此为了能够应对这一环境，必须认识和了解这种天候条件下对于无人机飞行能力的影响，改善无人机在这种天候条件下的适应性，从而使得无人机的全天候飞行能力得到提升。
发明内容
本发明针对提升无人机全天候飞行能力，提出了一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，通过计算降雨参数、计算雨滴产生力和力矩、考虑水膜造成气动影响，建立无人机飞行动力学模型。
具体的技术方案为：
一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，包括以下步骤：
(1)以单位时间内的降雨量评价降雨的严重程度，计算空气中液态水含量等参数；
(2)假设所有雨滴以同一直径和速度下落，根据空气中液态水含量等参数，通过理论方法计算雨滴撞击飞机时产生的力与力矩；
(3)采用计算流体力学方法得到水膜附着以后引起的升力系数变化量、升力线斜率变化量以及阻力系数变化量；
(4)将雨滴对于飞机所造成的撞击力和力矩表示在无人机初始的平衡方程中，并进行线化处理，得到降雨时的纵向运动小扰动线化方程；建立降雨影响的无人机飞行动力学模型。
进一步的详细步骤为：
(1)以单位时间内的降雨量评价降雨的严重程度，计算空气中液态水含量等参数，空气中液态水含量LWC的计算公式如下所示：
Figure BDA0003055378720000011
其中，ρw为水的密度；R雨滴半径，单位：mm；N0＝0.08cm-4,n＝41,m＝-0.21；
(2)假设所有雨滴以同一直径和速度下落，根据空气中液态水含量等参数，通过理论方法计算雨滴撞击飞机时产生的力与力矩；雨滴撞击飞机产生附加力大小可以表示为：雨滴撞击飞机产生附加力大小可以表示为：
Figure BDA0003055378720000021
其中
Figure BDA0003055378720000022
表示雨滴撞击飞机产生力；
Figure BDA0003055378720000023
表示雨滴的平均速度；Axb、Ayb、Azb分别表示前视面积、侧视面积、俯视面积；Kx、Ky、Kz表示在机体轴三个方向上的雨滴收集系数；
[Vxb Vyb Vzb]T表示机体坐标系下的飞行速度；
Figure BDA0003055378720000024
表示机体坐标系下的水滴落速；
俯仰力矩表达式如下：
Figure BDA0003055378720000025
(3)采用计算流体力学方法结合工程方法得到水膜附着以后引起的升力系数变化量、升力线斜率变化量以及阻力系数变化量：
(4)将雨滴对于飞机所造成的撞击力和力矩表示在无人机初始的平衡方程中，并进行线化处理，得到降雨时的纵向运动小扰动线化方程；建立降雨影响的无人机飞行动力学模型。
线化方程的形式为
Figure BDA0003055378720000026
其中A为状态矩阵，B为控制矩阵。
纵向方程组的状态变量为x＝[Δu w q Δθ]T；控制变量为c＝[ΔδT Δδe]T；
考虑降雨影响后的矩阵系数为：
Figure BDA0003055378720000027
Figure BDA0003055378720000028
其中，
Figure BDA0003055378720000029
Figure BDA00030553787200000210
Figure BDA0003055378720000031
Figure BDA0003055378720000032
Figure BDA0003055378720000033
Figure BDA0003055378720000034
Figure BDA0003055378720000035
Figure BDA0003055378720000039
Figure BDA00030553787200000313
Figure BDA00030553787200000317
其中，Vk和α分别为无人机运动的速度和迎角。Xu是X轴方向的力关于前飞速度的变化率，m是机体质量，Xw是X轴方向的力关于w的变化率；XV是机体坐标系下X方向的速度，
Figure BDA00030553787200000321
是降雨附加力在该方向下分力；Zu是Z轴方向的力关于前飞速度的变化率，
Figure BDA00030553787200000322
是Z轴方向的力关于
Figure BDA00030553787200000323
的变化率；ZV是机体坐标系下Z方向的速度，
Figure BDA00030553787200000324
是降雨附加力在该方向下分力；Mu是X轴方向的力矩关于前飞速度的变化率，
Figure BDA00030553787200000325
是降雨附加力矩关于速度的导数；
Figure BDA00030553787200000326
是X方向的力关于油门开度的导数；
Figure BDA00030553787200000327
是X方向的力关于升降舵偏角的导数；
Figure BDA00030553787200000328
是Z方向的力关于升降舵偏角的导数；
Figure BDA00030553787200000329
是俯仰力矩关于油门开度的导数；
Figure BDA00030553787200000330
是俯仰力矩关于升降舵偏角的导数；Iy是y方向转动惯量。
本发明的方法通过考虑降雨天气对于飞行动力学模型的影响，能够有效得到降雨天气下无人机飞行性能情况，从而为相关设计提供指导思想，提高无人机的全天候飞行能力。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为实施例在不同降雨量下，正向偏转升降舵单位角度后，飞机俯仰角响应曲线；
图3为实施例在不同降雨量下，正向偏转升降舵单位角度后，沿着机体坐标系x轴的飞行速度u响应曲线；
图4为实施例在不同降雨量下，正向偏转升降舵单位角度后，飞机飞行速度V响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的考虑降雨天气的飞行动力学建模方法进一步详细说明。
具体步骤如图1所述，本实施例针对某型无人机进行考虑降雨影响的飞行动力学建模。
采用的降雨情况分别为50mm/h降雨率、75mm/h降雨率以及100mm/h降雨率。
第一步，计算空气中液态水含量LWC，计算公式为
Figure BDA0003055378720000041
其中，ρw为水的密度，R雨滴直径(单位：mm)，n、m、N0为实验测定常数。
N0＝0.08cm-4,n＝41,m＝-0.21；
第二步，计算雨滴撞击飞机产生的力与力矩，
附加力公式为
Figure BDA0003055378720000042
附加俯仰力矩公式为
Figure BDA0003055378720000043
第三步，采用工程估算方法得到水膜附着以后引起的升力系数变化量、升力线斜率变化量以及阻力系数变化量；
第四步，以小扰动线化模型为基础，考虑降雨引起的附加力和力矩对于纵向飞行性能的影响：
线化方程的形式为
Figure BDA0003055378720000044
其中A为状态矩阵，B为控制矩阵。
纵向方程组的状态变量为x＝[Δu w q Δθ]T；控制变量为c＝[ΔδT Δδe]T；
考虑降雨影响后的矩阵系数为：
Figure BDA0003055378720000051
Figure BDA0003055378720000052
经仿真分析，正向偏转升降舵单位角度后，得到无人机俯仰角、沿着机体坐标系x轴的飞行速度u以及飞机飞行速度V的响应曲线。
如图2、图3和图4所示，结果表明当降雨率小于75mm/h时，雨滴所带来的影响是可以克服的，大于75mm/h,则会使无人机出现低头现象，造成无人机不可避免的出现操纵问题。

Claims (4)

1.一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以单位时间内的降雨量评价降雨的严重程度，计算空气中液态水含量参数；
(2)假设所有雨滴以同一直径和速度下落，根据空气中液态水含量参数，通过理论方法计算雨滴撞击飞机时产生的力与力矩；
(3)采用计算流体力学方法得到水膜附着以后引起的升力系数变化量、升力线斜率变化量以及阻力系数变化量；
(4)将雨滴对于飞机所造成的撞击力和力矩表示在无人机初始的平衡方程中，并进行线化处理，得到降雨时的纵向运动小扰动线化方程；建立降雨影响的无人机飞行动力学模型。
2.根据权利要求1所述的一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，其特征在于，步骤(1)中空气中液态水含量LWC的计算公式如下所示：
Figure FDA0003055378710000019
其中，ρw为水的密度；R雨滴半径，单位：mm；N0＝0.08cm-4,n＝41,m＝-0.21。
3.根据权利要求1所述的一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，其特征在于，步骤(2)中雨滴撞击飞机产生力大小表示为：
Figure FDA0003055378710000011
其中
Figure FDA0003055378710000012
表示雨滴撞击飞机产生力；
Figure FDA0003055378710000013
表示雨滴的平均速度；Axb、Ayb、Azb分别表示前视面积、侧视面积、俯视面积；Kx、Ky、Kz表示在机体轴三个方向上的雨滴收集系数；
[Vxb Vyb Vzb]T表示机体坐标系下的飞行速度；[Vrxb Vryb Vrzb]T表示机体坐标系下的水滴落速；
俯仰力矩表达式如下：
Figure FDA0003055378710000014
Figure FDA0003055378710000015
是降雨影响下的机体俯仰力矩，
Figure FDA0003055378710000016
是降雨影响的机体x方向受力，zc是降雨影响的机体附加受力点与重心在z轴上的距离，
Figure FDA0003055378710000017
是降雨影响的机体z轴受力，xc是降雨影响的机体附加受力点与重心在x轴上的距离。
4.根据权利要求1所述的一种考虑降雨天气的无人机动力学建模方法，其特征在于，步骤(4)中线化方程的形式为
Figure FDA0003055378710000018
其中A为状态矩阵，B为控制矩阵；
纵向方程组的状态变量为x＝[Δu w q Δθ]T；控制变量为c＝[ΔδT Δδe]T；其中，Δu是速度变化量，w是z方向速度，q是俯仰角速度，Δθ是俯仰角变化量，ΔδT是油门开度变化量，Δδe是升降舵变化量；
考虑降雨影响后的矩阵系数为：
Figure FDA0003055378710000021
Figure FDA0003055378710000022
其中，
Figure FDA0003055378710000023
Figure FDA0003055378710000024
Figure FDA0003055378710000025
Figure FDA0003055378710000026
Figure FDA0003055378710000027
Figure FDA0003055378710000028
Figure FDA0003055378710000029
Figure FDA00030553787100000210
Figure FDA0003055378710000031
Figure FDA0003055378710000032
其中，Vk和α分别为无人机运动的速度和迎角；Xu是X轴方向的力关于前飞速度的变化率，m是机体质量，Xw是X轴方向的力关于w的变化率；XV是机体坐标系下X方向的速度，
Figure FDA0003055378710000033
是降雨附加力在该方向下分力；Zu是Z轴方向的力关于前飞速度的变化率，
Figure FDA0003055378710000034
是Z轴方向的力关于
Figure FDA0003055378710000035
的变化率；ZV是机体坐标系下Z方向的速度，
Figure FDA0003055378710000036
是降雨附加力在该方向下分力；Mu是X轴方向的力矩关于前飞速度的变化率，
Figure FDA0003055378710000037
是降雨附加力矩关于速度的导数；
Figure FDA0003055378710000038
是X方向的力关于油门开度的导数；
Figure FDA0003055378710000039
是X方向的力关于升降舵偏角的导数；
Figure FDA00030553787100000310
是Z方向的力关于升降舵偏角的导数；
Figure FDA00030553787100000311
是俯仰力矩关于油门开度的导数；
Figure FDA00030553787100000312
是俯仰力矩关于升降舵偏角的导数；Iy是y方向转动惯量。
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