CN114282333A - 无人机滑跑抗侧风能力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法，包括以下步骤：获取无人机滑行过程中的气动数据；确定评估的滑跑速度特征点范围；根据滑跑速度特征点范围，选取滑跑速度特征点，确定评估的滚转角速率范围和偏航角速率范围；根据确定的空速范围、滚转角速率范围和偏航角速率范围，求解在滑跑速度特征点取值范围内，方向舵达到最大值能够平衡的最大侧滑角和侧风值。本发明对运动模态进行简化，选择较易发生侧偏段进行分析，避免了对滑跑复杂运动过程的建模。

Description

无人机滑跑抗侧风能力评估方法

技术领域

本发明属于无人机测试技术领域，具体涉及一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法。

背景技术

无人机在滑跑过程中由于受到跑道宽度、侧风等因素的影响，容易发生飞机偏离跑道的事故，难以保障飞行安全。对于大翼展、轻质无人机而言，在滑跑过程中，无人机极易受到侧风影响而出现较大侧向偏差，因此，需要充分了解无人机应对突风的能力，对滑跑过程中风场条件进行严格约束。考虑到无人机在滑跑过程中无人机滑跑过程中，受到地面作用力、气动作用力、起落架柔性影响，难以获取较为准确的数学模型，同时滑跑过程中，包含前轮或后轮抬起等一系列动作，运动模态较为复杂。

一般在工程实践中均采用滑跑试验对无人机滑跑段滑跑能力及控制特性进行调试验证，由于在试验前期对无人机能力预估不清晰，滑跑试验会出现验证不充分或引起较大风险两种情况发生。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。

本发明的技术解决方案：

一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法，包括以下步骤：

获取无人机滑行过程中的气动数据；

确定评估的滑跑速度特征点范围；

根据滑跑速度特征点范围，选取滑跑速度特征点，确定评估的滚转角速率范围和偏航角速率范围；

根据确定的空速范围、滚转角速率范围和偏航角速率范围，求解在滑跑速度特征点取值范围内，方向舵达到最大值能够平衡的最大侧滑角和侧风值。

进一步的，所述的滑跑速度特征点的取值范围为：无人机处于主控轮离地状态或无人机升力大于重力的80％以上状态时的主控轮速度和无人机离地速度做为滑跑速度特征点的取值端点。

进一步的，所述的滚转角速率范围的选择：根据选择滑跑速度特征点，给定单位阶跃滚转角指令信号，可将滚转角角速率信号时域响应的变化范围作为后续开展评估的可选范围。

进一步的，所述的航向角速率范围的选择：根据选择滑跑速度特征点，给定单位阶跃航迹角偏差信号指令，可将航向角角速率信号时域响应的变化范围作为后续开展评估的可选范围。

进一步的，所述的无人机滑跑抗侧风能力评估方法步骤还包括数据的修正，结合真实试验数据对气动数据、滑跑速度特征点的取值范围和滚转角速率、偏航角速率取值范围进行修正，得到更准确的评估结果。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明能够基于给定的总体和气动参数，预先对无人机在滑跑过程中抗侧风能力进行定量分析，为无人机飞行与滑跑试验安全射表的制定提供依据，确保飞行安全；

(2)本发明中对运动模态进行简化，选择较易发生侧偏段进行分析，避免了对滑跑复杂运动过程的建模。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例提供的一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法步骤示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在一个实施例中，提供一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法，包括以下步骤：

获取无人机滑行过程中的气动数据；

确定评估的滑跑速度特征点范围；

根据滑跑速度特征点范围，选取滑跑速度特征点，确定评估的滚转角速率范围和偏航角速率范围；

根据确定的空速范围、滚转角速率范围和偏航角速率范围，求解在滑跑速度特征点取值范围内，方向舵达到最大值能够平衡的最大侧滑角和侧风值。

如图1所示，以无人机受到正右侧突风为例，根据本发明实施例提供一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法，包括以下步骤：

步骤一，获取无人机滑行过程中的气动数据，包括：升力、阻力侧向力、滚转力矩、偏航力矩和俯仰力矩，在无人机滑行过程中，速度较低时，当存在侧向突风时，往往能引起较大的侧滑角。在一个实施例中，若当前气动参数表无法满足使用要求，可以对气动数据进行扩展处理，若气动参数线性化较好，可采用线性外插的方式对该气动数据进行扩展处理，若气动参数线性化不满足要求，可采用多项式拟合或其它拟合方式对气动数据进行拟合后再插值对气动数据进行扩展处理。

步骤二，确定评估的滑跑速度特征点范围；进一步的在一个实施例中，滑跑速度特征点的取值范围为：无人机处于纠偏主控轮离地状态或无人机升力大于重力的80％以上状态时的主控轮速度和无人机离地速度做为滑跑速度特征点的取值端点。在一个实施例中，升力在该速度特征点范围内，无人机受到侧风影响出现较大偏差，可以根据飞行器构型进行设定。

以安装有自行车式起落架的无人机为例，无人机后轮离地后，无人机以前轮单轮接地状态滑行，无人机受到的地面作用力明显减弱减小，此时无人机较易出现偏离跑道现象，因此选取无人机滑跑过程中，后轮离地速度V_onewheel到无人机离地速度V_takeoff这一范围内做为滑跑速度特征点范围对无人机抗侧风能力进行评估。在其它实施例中，对于其它类型起落架的无人机可根据分析确定滑跑速度特征点范围。

无人机后轮离地时刻满足以下运动学和动力学方程：

上述方程组中G为重力，L为升力，P_n为前轮支反力，M_z为俯仰力矩，α为攻角，a_z为轮子到无人机重心的水平距离，无人机后轮离地时刻，α大小近似等同于无人机停机角θ₀，认为当前升力计算如下：

L＝q·S_ref·cy

cy＝cy(H,α,β)+Δcy(α,δ_z)+Δcy_gear

Mz＝q·S_ref·Lref·mz

mz＝mz(H,α,β)+Δmz(α,δ_z)+Δmz_gear

其中，q为来流动压；S_ref为参考面积；L_ref为纵向力矩参考长度；H为无人机飞行高度，δ_z为升降舵偏，由滑跑控制律解算得到，一般为俯仰角的函数；β为侧滑角，为简化计算，β取值为0。cy为升力系数、cy_αβ(H,α,β)为升力纵横向耦合系数、Δcy(α,δ_z)为升降舵产生的升力系数、Δcy_起落架为起落架引起的升力增量系数、mz为俯仰力矩系数、mz_αβ(H,α,β)为俯仰力矩纵横向耦合系数、Δmz(α,δ_z)为升降舵产生的俯仰力矩系数、Δmz_起落架为起落架引起的俯仰力矩增量系数。

上述方程组中未知变量为前轮支反力和空速，通过求解上述方程组，可以得到无人机后轮离地时刻的无人机空速V_onewheel。

无人机离地时刻满足以下运动学和动力学方程：

上述方程组中未知变量为攻角和空速，通过求解上述方程组，可以得到无人机后轮离地时刻的无人机空速V_takeoff。

通过计算可以确定滑跑速度特征点区间[V_onewheelV_takeoff]，在该速度区间内，无人机存在较大偏离跑道风险，后续可在该速度区间内对无人机抗侧风能力进行评估。

在另外一个实施例中，将滑跑速度特征点取值范围采用升力大于重力的80％时主控轮的速度和无人机的离地速度做为端点，两个速度的计算方法为现有计数，这里不再赘述。

步骤三，确定评估的滚转角速率范围和偏航角速率范围；

进一步的在一个实施例中，滚转角速率范围的选择：选择滑跑速度特征点，给定单位阶跃滚转角指令信号，可将滚转角角速率信号时域响应的变化范围作为后续开展评估的可选范围。

进一步的在一个实施例中，航向角速率范围的选择：选择滑跑速度特征点，给定单位阶跃航迹角偏差信号指令，可将航向角角速率信号时域响应的变化范围作为后续开展评估的可选范围。

在本实施例中，当无人机受到侧风影响后，会引起滚转角和偏航角速率波动，侧风引起的滚转角速率会加剧无人机向迎风面转动，而偏航角速率则阻碍无人机向迎风面转动。在对抗侧风能力评估时，由于滚转角速率引起的交感偏航力矩是激发无人机偏离航向的重要因素，因此在后续评估中需要在合理范围内进行角速率取值。

对于滚转通道，在滑跑阶段主要为控制无人机处于翼平状态，即期望滚转角为0°，当无人机受到突风扰动，无人机会存在滚转角波动。选择滑跑速度特征点，给定单位阶跃滚转角指令信号，可将滚转角角速率信号时域响应的变化范围作为后续开展评估的可选范围。对于偏航通道，在滑跑阶段主要通过方向舵进行航线纠偏控制，当无人机受到突风扰动，无人机航迹会存在波动。选择滑跑速度特征点，给定单位阶跃航迹角偏差信号指令，可将航向角角速率信号时域响应的变化范围作为后续开展评估的可选范围。

在一个实施例中，滑跑速度特征点的选取需要覆盖整个滑跑速度特征点的取值范围，使滚转角速率范围和航向角速率范围的求解更准确。

在上述获取的可选范围内进行滚转角速率和航向角速率取值，这里滚转角速率取值越大或偏航角速率取值越小，评估越严苛；反之评估越宽松，后续可以结合真实试验数据，对角速率的取值进行修正。

步骤四，根据确定的滑跑速度特征点范围、滚转角速率范围和偏航角速率范围，求解在滑跑速度特征点时，方向舵达到最大值能够平衡的最大侧滑角和侧风值。

在一个具体实施例中，以无人机受到右侧风为例，无人机出现正侧滑，令方向舵达到正向最大值，迭代计算满足偏航通道平衡的最大侧滑角，从而求解最大抗侧风值。无人机偏航通道满足以下方程：

My_β+My_δy+My_ωx+My_ωy＝0

β＝tan(V_wind/V_a)，δ_y＝δ_{y_max}

其中，My_β为偏航静稳定力矩；

为方向舵产生的操纵力矩；方向舵偏选择最大正向舵偏；

分别为滚转角速率和偏航角速率引起的偏航力矩，其中滚转角速率和偏航角角速率的取值为步骤三中选定的角速率值，V_wind为侧风风速，V_a为空速，δ_y为无人机方向舵指令舵偏，δ_{y_max}为无人机方向舵指令最大舵偏。以上力矩计算满足以下方程：

其中，

和

分别为偏航静稳定力矩系数、方向舵操控力矩系数、偏航阻尼导数和偏航交感力矩系数，b为横航向参考长度。δ_y为无人机方向舵指令舵偏，

分别为无量纲化后的滚转角速率和偏航角速率，计算公式如下：

其中，p,r分别为滚转角速率和偏航角速率。

在上述方程中，侧滑角为方程未知量。选取步骤2计算得到的速度区间的滑跑速度特征点进行上述方程的迭代求解，可求解得到在该状态下无人机在最大舵面操纵能力下能够维持平衡的最大侧滑角和侧风量。无人机滑跑过程为动态过程，涉及因素较多难以定量计算，因此仅通过瞬态特性计算用于进行回路抗侧风能力评估。

步骤五，结合真实试验数据对气动数据、滑跑速度特征点的取值范围和滚转角速率、偏航角速率取值范围进行迭代修正，得到更准确的评估结果。

综上，本发明无人机滑跑抗侧风能力评估方法，相比于现有技术至少具有以下优势：

(1)本发明能够基于给定的总体和气动参数，预先对无人机在滑跑过程中抗侧风能力进行定量分析，为无人机飞行与滑跑试验安全射表的制定提供依据，确保飞行安全；

(2)本发明中对运动模态进行简化，选择较易发生侧偏段进行分析，避免了对滑跑复杂运动过程的建模。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法，其特征在于，包括以下步骤：获取无人机滑行过程中的气动数据；

获取无人机滑行过程中的气动数据；

确定评估的滑跑速度特征点范围；

根据滑跑速度特征点范围，选取滑跑速度特征点，确定评估的滚转角速率范围和偏航角速率范围；

根据确定的空速范围、滚转角速率范围和偏航角速率范围，求解在滑跑速度特征点取值范围内，方向舵达到最大值能够平衡的最大侧滑角和侧风值。

2.根据权利要求1所述的一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法，其特征在于，所述的滑跑速度特征点的取值范围为：无人机处于主控轮离地状态或无人机升力大于重力的80％以上状态时的主控轮速度和无人机离地速度做为滑跑速度特征点的取值端点。

3.根据权利要求1所述的一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法，其特征在于，所述的滚转角速率范围的选择：根据选择滑跑速度特征点，给定单位阶跃滚转角指令信号，可将滚转角角速率信号时域响应的变化范围作为后续开展评估的可选范围。

4.根据权利要求1所述的一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法，其特征在于，所述的航向角速率范围的选择：根据选择滑跑速度特征点，给定单位阶跃航迹角偏差信号指令，可将航向角角速率信号时域响应的变化范围作为后续开展评估的可选范围。

5.根据权利要求1到4中任一所述的一种无人机滑跑抗侧风能力评估方法，其特征在于，所述的无人机滑跑抗侧风能力评估方法步骤还包括数据的修正，结合真实试验数据对气动数据、滑跑速度特征点的取值范围和滚转角速率、偏航角速率取值范围进行修正，得到更准确的评估结果。

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