无人机飞行品质评价研究

论文摘要

飞行品质主要指飞行器的稳定性与操纵性,在设计、研发、测试和使用中拥有非常重要的规范和指导作用。与无人机的繁荣发展形成鲜明对比的是,无人机飞行品质规范发展缓慢。如何界定、如何计算、如何评价无人机的飞行品质,至今仍然没有系统的理论与实践依据。本文研究了无人机与有人驾驶飞机在飞行品质相关方面存在的巨大差异。将无人机按照操控模式分为遥控与自控两种,综合考虑了其操纵过程的各个环节,分别建立了由操纵直接输入到飞行状态输出的系统模型,在此基础上研究了其飞行品质的计算与评价方法,最后考察了飞行控制系统作用下关键气动布局对飞行品质的影响。对于遥控无人机,将其操纵过程的结构进行了分析并与有人驾驶飞机的操纵作了对比,论证了参考有人驾驶飞机规范来评价的可行性。指出进行评价的模型不能仅是本体动力学模型,而应该从直接操纵量即遥控操纵杆位移算起,考虑操纵各个环节的动态响应特性。在此基础上建立了飞行品质模型。由于参考的规范均采用等效系统参数,研究了基于模式搜索法的无人机低阶系统频域拟配方法。在参考规范的基础上,做了针对遥控无人机的适应性修改,从而建立了遥控无人机飞行品质的评价体系,给出了评价流程。对于自控无人机,研究了本体动力学模型非线性的处理方法,以经典PID控制为例介绍了飞行控制系统的结构特征与参数整定方法,探讨了PID参数的自适应性问题。飞行控制系统的加入导致无人机飞行品质的评价体系不能参考现有规范,研究并改进了基于任务科目单元(MTE)的飞行品质评价策略,提出了基于MTE品质表的飞行品质等级评价方式。给出了飞行品质评价流程。通过在某型无人机的基础布局上,改变平尾、垂尾、上反角等传统飞行品质最为敏感的气动布局部件,考察了加入飞行控制系统后,这些布局变动对无人机动态响应的影响的大小和趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与现状
• 1.1.1 飞行品质评价方法的研究需求
• 1.1.2 美国飞行品质规范发展概述
• 1.1.3 国内飞行品质评价方法研究现状
• 1.2 本文研究意义
• 1.2.1 无人机的飞速发展
• 1.2.2 无人机飞行品质研究的重要性
• 1.2.3 无人机飞行品质的特点难点
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 基于飞行品质的无人机系统建模
• 2.1 无人机建模基础
• 2.1.1 常用坐标系定义
• 2.1.2 建模基本假设
• 2.2 线性化的无人机动力学方程
• 2.2.1 小扰动线性化方法
• 2.2.2 线性化的无人机纵向本体模型
• 2.2.3 线性化的无人机侧向本体模型
• 2.3 遥控无人机飞行品质建模
• 2.3.1 遥控无人机操控过程
• 2.3.2 遥控操纵杆模型
• 2.3.3 伺服舵机模型
• 2.3.4 遥控无人机纵向飞行品质模型
• 2.3.5 遥控无人机侧向飞行品质模型
• 2.4 自控无人机飞行品质建模
• 2.4.1 自控无人机操控过程
• 2.4.2 传感器模型
• 2.4.3 飞行控制系统概述
• 2.4.4 自控无人机纵向飞行品质模型
• 2.4.5 自控无人机侧向飞行品质模型
• 2.5 本章小节
• 第三章 遥控无人机飞行品质评价
• 3.1 遥控无人机系统的低阶等效
• 3.1.1 低阶等效系统模型
• 3.1.2 频域低阶等效方法
• 3.2 评价策略与评价指标研究
• 3.2.1 基本评价策略研究
• 3.2.2 纵向飞行品质指标研究
• 3.2.3 侧向飞行品质指标研究
• 3.3 评价流程与算例分析
• 3.3.1 遥控无人机飞行品质评价流程
• 3.3.2 遥控无人机评价算例分析
• 3.4 本章小节
• 第四章 自控无人机飞行品质评价
• 4.1 自控无人机模型参数研究
• 4.1.1 无人机模型的非线性
• 4.1.2 飞行控制律参数整定
• 4.2 评价策略与评价内容研究
• 4.2.1 改进的MTE飞行品质策略
• 4.2.2 自控无人机评价内容
• 4.2.3 无人机全系统要求
• 4.3 评价流程与算例分析
• 4.3.1 自控无人机飞行品质评价流程
• 4.3.2 自控无人机评价算例分析
• 4.4 本章小节
• 第五章 关键气动布局对自控无人机影响的仿真分析
• 5.1 简化的控制系统设计
• 5.1.1 俯仰角控制与增稳系统
• 5.1.2 滚转角控制与增稳系统
• 5.2 平尾面积对纵向动态响应的影响
• 5.2.1 静稳定导数与操纵导数的变化
• 5.2.2 无控时动态响应的变化
• 5.2.3 控制系统参数优化
• 5.2.4 自控作用下动态响应变化
• 5.3 上反角对纵向动态响应的影响
• 5.3.1 静稳定导数与操纵导数的变化
• 5.3.2 无控时动态响应的变化
• 5.3.3 控制系统参数优化
• 5.3.4 自控作用下动态响应变化
• 5.4 垂尾面积对侧向动态响应的影响
• 5.4.1 静稳定导数与操纵导数的变化
• 5.4.2 无控时动态响应的变化
• 5.4.3 控制系统参数优化
• 5.4.4 自控作用下动态响应变化
• 5.5 上反角对侧向动态响应的影响
• 5.5.1 静稳定导数与操纵导数的变化
• 5.5.2 无控时动态响应的变化
• 5.5.3 控制系统参数优化
• 5.5.4 自控作用下动态响应变化
• 5.6 本章小节
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 无人机线性化方程中的大导数