无人机非对称投弹扰动效应建模与抑制控制技术研究

摘要

当前，面向军事应用的飞行作战平台呈现多任务化和无人化趋势。实战中无人作战平台执行非对称攻击任务成为常态，无人机单侧投弹产生的干扰力和力矩会影响无人机飞行的稳定性和安全性，因此研究无人机非对称投弹扰动效应建模和抑制控制技术具有重要的实际意义。本论文基于某多任务构型无人作战飞机投弹过程仿真系统研发项目，对无人机非对称投弹扰动效应建模和抑制控制技术研究的主要任务包括：基于无人机非对称投弹的气动干扰动力学特性研究，无人机非对称投弹扰动效应数学建模和非对称投弹扰动效应抑制控制技术研究。具体工作如下： （1）基于无人机非对称投弹的气动干扰动力学特性研究。论文首先就多任务构型无人机飞行环境进行了研究。分析了某型号无人机作战空域的大气环境和巡航过程中绕机翼流动的局部层流特性，整合、处理无人机构型数据完成基于CATIA的无人机三维建模，并在COMSOL Multiphysics环境下进行了机翼层流流态仿真，在ANSYS Fluent环境下，对无人机非对称挂载巡航飞行中的机身整体流场进行了计算流体力学仿真。针对不同构型无人机设计并完成了计算流体力学仿真对比实验。 （2）无人机非对称投弹扰动效应数学建模。结合非对称挂载对气动干扰影响因素的分析结果，根据飞行动力学原理，搭建了贴近物理场景的无人机非对称投弹扰动效应数学模型，完成对模型的配平、线性化和解耦，最终得到固定翼飞行器纵向系统和横侧向系统运动方程数学模型。 （3）无人机非对称投弹扰动效应抑制控制技术研究。基于无人机非对称投弹扰动效应数学模型，对无人机飞行控制方案进行了分析，详细的论述了无人机非线性系统模型控制律和线性系统模型控制律之间的关系，设计并论证了基于不确定性和扰动估计器（Uncertainty and Disturbance Estimator）的非对称投弹效应抑制控制器和直接舵面补偿控制器。在MATLAB Simulink环境下，完成不同控制方案的仿真，对比分析了引入扰动抑制策略前后控制器的工况效果。 本论文作为某多任务构型无人机仿真系统项目子课题，完成了无人机非对称投弹过程在控制科学、空气动力学和计算流体力学的多学科交叉研究，核心工作支持了飞行仿真软件的开发，支撑了上层综合航电系统的半实物仿真。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题依据

1.2 国内外的研究现状及分析

1.3 研究内容

1.4 章节安排

第二章 亚音速无人机粘性可压缩绕流的流体力学及飞行动力学分析

2.1 引言

2.2 无人机气动性质综述

2.2.1无人机外流域内的流体压缩性能

2.2.2无人机外流域内的黏性影响因素分析

2.3 无人机飞行动力学描述方法

2.3.1 坐标轴系定义

2.3.2气流角定义

2.3.3 姿态角定义

2.3.4 坐标轴系转换

2.3.5 欧拉角速率和机体角速率

2.4 常用的三维建模与计算流体力学数值仿真软件

2.4.1 CATIA介绍

2.4.2 COMSOL Multi-Physics介绍

2.4.3 ANSYS FLUENT介绍

2.5 本章小结

第三章 基于无人机非对称投弹的气动干扰动力学特性研究

3.1 引言

3.2 机载武器投放策略研究

3.3 无人机亚音速飞行环境研究

3.4 无人机亚音速巡航典型层流流态分析

3.5 无人机非对称挂载计算流体力学仿真

3.5.1大展弦比无人机非对称挂载计算流体力学仿真

3.5.2小展弦比无人机非对称挂载计算流体力学仿真分析

3.5.3 挂载对气动干扰影响因素分析

3.6 本章小结

第四章 无人机非对称投弹扰动效应数学建模

4.1 引言

4.2 载弹无人机力学模型分析

4.3 非对称挂载与投弹扰动效应数学建模

4.4 模型线性化与解耦

4.4.1 模型线性化

4.4.2 模型解耦

4.5 本章小结

第五章 无人机非对称投弹扰动效应抑制控制技术研究

5.1 引言

5.2 无人机飞行控制方案分析

5.3.1基于不确定性与扰动估计器（UDE）的控制原理

5.3.2 基于UDE的无人机纵向系统控制律设计

5.3.3 横侧向系统基于UDE的控制律设计论证

5.4 直接舵面偏转补偿控制设计

5.5 非对称投弹扰动效应抑制控制算法仿真验证

5.5.1 基于UDE的非对称投弹效应抑制控制算法仿真验证

5.5.2 直接舵面偏转补偿控制算法仿真验证

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献