小型无人地效飞行器气动仿真与飞控系统研究

摘要

地效飞行器(Ground Effect Vehicle)是一种能贴近海面/地面借助地面效应高速飞行的特种飞行器。因为目前还没有找到一个较为成熟的在水气介质间高速运动飞行器的运动学模型,无法解决在地效区内飞行器的稳定性问题,所以地效飞行器一直以来未能得到广泛应用。随着计算机技术不断进步,基于计算流体力学的空气动力学研究在地效飞行器领域逐渐成为研究热点,这种方法也为地效飞行器气动布局和运动模型建立提供了数值参考。飞控系统作为地效飞行器的控制核心,在整个飞行过程中负责信息采集、控制率解算、数据发送等任务,设计一套适合地效飞行器特点的稳定的飞控系统具有较高的研究意义。
　　本文首先介绍了地效飞行器空气动力学的主要研究方法,以及计算流体力学的原理和ANSYS FLUENT软件。然后选取俄罗斯先进的“雌鹞”号地效飞行器为模型在CATIA中进行三维重建并导入ANSYS ICEM软件中进行网格划分,接着在ANSYS FLUENT软件中对其机翼进行气动参数计算。
　　介于地效飞行器的相关研究资料大部分处于保密状态,本文选取ICON A5水陆两用航模飞机作为实验样机,结合固定翼飞机飞控系统设计经验和气动分析所得相关参数,设计无人地效飞行器飞控系统。
　　硬件设计上采用双PSoC3组成的主协处理器构架,分别负责飞行器控制和导航数据解算。同时对系统外部存储区进行扩展,完成PSoC3最小系统、机载传感器、组合测高模块、伺服驱动模块硬件设计。机载传感器模块包括捷联惯导模块、磁航向计模块和GPS模块。测高模块包括高度气压计和超声波测高模块。伺服驱动模块包括舵机驱动和模式切换。软件设计上遵循模块化的编程思想,完成硬件设计中各模块的功能实现,结合捷联惯导算法和磁航向角算法得到更加准确的姿态角信息。针对无人地效飞行器对高度检测的严格要求设计了基于自适应加权平均数法的高度信息融合算法。

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第一章 绪论

1.1 无人地效飞行器概述

1.2 无人地效飞行器发展历程

1.3课题研究目的及意义

1.4主要研究内容及章节安排

第二章 无人地效飞行器气动力学仿真

2.1地效飞行器气动力学仿真方法

2.2地效飞行器三维重建

2.3基于ANSYS ICEM的网格划分

2.4地效飞行器翼面气动特性计算方法

2.5地效飞行器翼面气动特性分析

2.6本章小结

第三章 无人地效飞行器飞控系统硬件设计

3.1 飞控系统总体设计

3.2 PSOc3最简控制单元

3.3 外部存储器扩展

3.4 机载传感器模块

3.5 组合测高模块

3.6伺服驱动系统及硬件设计

3.7 本章小结

第四章 无人地效飞行器飞控系统软件设计

4.1 飞控系统软件开发平台介绍

4.2飞控系统软件总体设计

4.3 PSoC双核通信驱动设计

4.4捷连惯性导航模块程序设计

4.5 GPS模块程序设计

4.6组合测高模块程序设计

4.7本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢