一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法技术

本发明专利技术公开一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，包括：长机尾涡建模模块，诱导速度计算模块，耦合效应公式化模块；具体包括：固定翼无人机的机翼建模、连续分布的马蹄涡环量分布计算、连续分布的马蹄涡强度的衰减计算、单涡丝诱导速度的计算、所有马蹄涡形成的诱导速度场计算、僚机所受诱导速度计算、诱导升力系数计算、诱导阻力系数计算、诱导滚转力矩系数计算、诱导俯仰力矩系数计算。本发明专利技术可提高气动耦合效应建模精度和计算效率，可为后续分析无人机在紧密编队中的最优位置提供理论支持。提出一种高精度的将僚机所受诱导速度转化为诱导力和力矩的耦合效应公式化方法，使编队气动耦合效应建模精度进一步提高。高。高。

【技术实现步骤摘要】
一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法


[0001]本专利技术涉及一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，属于无人机集群紧密编队与控制领域。

技术介绍

[0002]紧密编队是解决无人机集群在整体续航能力上的缺陷、提高编队性能的一种有效途径。无人机集群紧密编队飞行通过利用气动耦合效应可以增加编队中单个无人机升力的同时减小阻力，可以显著增加无人机的续航里程、提高无人机的任务执行能力，进而提升整个无人机集群编队的自主性。
[0003]无人机集群紧密编队的主要技术挑战包括编队气动耦合效应的精确且高效建模，确定紧密编队中无人机的最优位置也即最佳的气动收益点，抑制气动和不确定性扰动的同时将无人机精确地控制到最优位置，确保无人机在最优位置的安全飞行。由于编队中无人机之间的气动耦合效应耦合程度较高且耦合机理复杂，且对模型的精度和计算效率有较高的要求。这使得编队气动耦合效应的精确且高效的建模技术成为实现无人机集群紧密编队的核心技术挑战。本专利技术旨在通过设计一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，提高编队气动耦合效应的建模精度和模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
＝2V
∞
SC
L
/(bπ)；S表示机翼面积；C
L
代表无人机的整体升力系数；b为翼展；假设长机产生的尾涡在一个平面内，没有厚度；因此，可得连续分布马蹄涡的附着涡环量和脱体涡环量分布都服从机翼上的环量分布，给出如下：出如下：其中，Γ
bound
(s)和Γ
free
(s)分别为所有马蹄涡的附着涡和脱体涡沿机翼1/4弦线的环量分布。4.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，其特征在于：所述的连续分布的马蹄涡强度衰减计算，即附着涡和脱体涡的强度衰减计算，具体过程如下：由于所有马蹄涡的附着涡集中分布于机翼的1/4弦线，涡丝延伸的距离小于飞机的翼展，所以附着涡的强度保持恒定；定义Υ
bound
为附着涡的强度衰减量，通过上面的分析，可得Υ
bound
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)对于脱体涡，由于从1/4弦线开始平行于来流速度方向，向下游延伸至无限远，所以涡强度沿涡丝的延伸方向逐渐衰减；定义Υ
free
为脱体涡的强度衰减量，具体的计算公式如下其中，h表示流场中的计算点到涡丝的垂直距离；r
c
为涡的半径，与流体的粘度υ和来流到达流场中计算点的时间τ有关，具体的计算公式为5.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，其特征在于：所述的单涡丝诱导速度的计算，具体过程如下：每一个马蹄涡都由一个附着涡和两个脱体涡组成，但无论附着涡还是脱体涡都是由涡丝形成的；现假设涡丝的环量为Γ，涡强Υ，无限长度；定义dV为单条涡丝在流场中的某一点P(x,y,z)产生的诱导速度矢量，根据毕奥
‑
萨伐尔定律，可得其中，dl为涡丝长度的无穷小量；r表示涡丝上的一点到点P的方向矢量；μ为涡丝的气动扭转系数；定义dv为速度矢量dV的幅值，通过引入矢量r和dl形成的夹角θ，(8)式可转化为如下的标量形式分析知
其中，|| ||2表示对矢量r求模；h为点P到涡丝的距离；因此，在(10)式的基础上，(9)式可进一步转化为其中，为矢量r和dl在初始点的夹角，为结束点的夹角；最终，单条涡丝在流场中的某一点P(x,y,z)形成的诱导速度幅值为6.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，其特征在于：所述的所有马蹄涡形成的诱导速度场计算，即附着涡和脱体涡形成的诱导速度场的计算，具体过程如下：所有马蹄涡在流场中某一点形成的诱导速度采用的是积分形式；定义v
bound
为气流坐标系下所有马蹄涡的附着涡在在流场中的某一点P(x,y,z)产生的诱导速度的幅值，计算公式给出如下：需要说明的是附着涡的涡丝在机翼的1/4弦线上关于坐标原点对称，因此，计算所有涡丝产生的诱导速度的积分区间为[
‑
b/2,0]；在气流坐标系下定义一个矢量V
bound
，给出如下：V
bound
＝[V
bound
‑
for
‑
back 0 V
bound
‑
up
‑
down
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)其中，V
bound
‑
for
‑
back
为前
‑
后洗诱导速度，V
bound
‑
up
‑
down
为上
‑
下洗诱导速度；在不考虑诱导速度方向的情况下，由附着涡的单条涡丝产生的诱导速度分量的幅值为：速度方向的情况下，由附着涡的单条涡丝产生的诱导速度分量的幅值为：其中，dv
bound
‑
for
‑
back
和dv
bound
‑
up
‑
down
分别表示单条涡丝产生的前
‑
后洗诱导速度幅值和上
‑
下洗诱导速度幅值；定义v
free
为所有马蹄涡的脱体涡在流场中的某一点P(x,y,z)产生的诱导速度的幅值，计算公式给出如下：与附着涡的分析相同，定义矢量V
free
表示脱体涡产生的诱导速度，给出如下：V
free
＝[0 V
free
‑
side V
free
‑
up
‑
down
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
其中，V
free
‑
side
表示侧洗速度；V
free
‑
up
‑
down
代表上
‑
下洗速度；和附着涡产生的诱导速度机理相一致，脱体涡的单条涡丝在不考虑诱导速度方向的情况下，产生的诱导速度分量的幅值为：幅值为：其中，dv
free
‑
side
和dv
free
‑
up
‑
down
分别表示单条涡丝产生的侧洗速度和上
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：段海滨，苑广松，魏晨，李卫琪，邓亦敏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：