[發明專利]一種固定翼無人機的緊密編隊氣動耦合效應建模方法

有效

• 申請號: 202110123276.9
• 申請日: 2021-01-29
• 公開（公告）號: CN112699622B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 段海濱;苑廣松;魏晨;李衛琪;鄧亦敏
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 李娜;王順榮

本發明公開一種固定翼無人機的緊密編隊氣動耦合效應建模方法，包括：長機尾渦建模模塊，誘導速度計算模塊，耦合效應公式化模塊；具體包括：固定翼無人機的機翼建模、連續分布的馬蹄渦環量分布計算、連續分布的馬蹄渦強度的衰減計算、單渦絲誘導速度的計算、所有馬蹄渦形成的誘導速度場計算、僚機所受誘導速度計算、誘導升力系數計算、誘導阻力系數計算、誘導滾轉力矩系數計算、誘導俯仰力矩系數計算。本發明可提高氣動耦合效應建模精度和計算效率，可為后續分析無人機在緊密編隊中的最優位置提供理論支持。提出一種高精度的將僚機所受誘導速度轉化為誘導力和力矩的耦合效應公式化方法，使編隊氣動耦合效應建模精度進一步提高。

技術領域

本發明涉及一種固定翼無人機的緊密編隊氣動耦合效應建模方法，屬于無人機集群緊密編隊與控制領域。

背景技術

緊密編隊是解決無人機集群在整體續航能力上的缺陷、提高編隊性能的一種有效途徑。無人機集群緊密編隊飛行通過利用氣動耦合效應可以增加編隊中單個無人機升力的同時減小阻力，可以顯著增加無人機的續航里程、提高無人機的任務執行能力，進而提升整個無人機集群編隊的自主性。

無人機集群緊密編隊的主要技術挑戰包括編隊氣動耦合效應的精確且高效建模，確定緊密編隊中無人機的最優位置也即最佳的氣動收益點，抑制氣動和不確定性擾動的同時將無人機精確地控制到最優位置，確保無人機在最優位置的安全飛行。由于編隊中無人機之間的氣動耦合效應耦合程度較高且耦合機理復雜，且對模型的精度和計算效率有較高的要求。這使得編隊氣動耦合效應的精確且高效的建模技術成為實現無人機集群緊密編隊的核心技術挑戰。本發明旨在通過設計一種固定翼無人機的緊密編隊氣動耦合效應建模方法，提高編隊氣動耦合效應的建模精度和模型計算效率，為后續分析無人機的最優位置，更加有效的抑制氣動和不確定擾動，為最終實現無人機集群緊密編隊提供技術支撐。

編隊氣動耦合效應建模主要包含長機的尾渦建模和耦合效應的公式化。目前，編隊氣動耦合效應下的長機尾渦建模方法主要有單馬蹄渦法、多馬蹄渦法和渦格法。單馬蹄渦采用單個馬蹄渦分布在飛機1/4弦線上來模擬飛機產生的尾渦，雖然計算效率較高，但由于單個馬蹄渦產生的流場與真實的飛機尾渦流場有很大的誤差，因此，單馬蹄渦法的建模精度較低。相比于單馬蹄渦法，多馬蹄渦法在單馬蹄渦的基礎上采用多條馬蹄渦來模擬飛機產生的尾渦，建模的精度相對于單馬蹄渦有一定程度的提高，但還是無法達到集群緊密編隊所要求的模型精度。相比于以上兩種建模方法，渦格法將整個翼面劃分成一定數量的網格，并假設每個網格處都產生一條馬蹄渦，也即將相當數量的馬蹄渦平鋪于飛機的整個翼面。通過渦格法所建立的長機的尾渦流場與真實飛機的尾渦流場最為接近，因此，建模精度相對于上面兩種方法是最高的。但由于采用網格的方法將相當數量的馬蹄渦平鋪于整個翼面，造成模型的運算效率非常低，只適合于靜態的分析模型并不能用于實時的解算。由于長機產生的尾渦對僚機直接作用表現為僚機所受誘導速度，并不是僚機所能直接利用的誘導力和力矩。因此，如何將僚機所受的誘導速度轉化為誘導力和力矩也即耦合效應的公式化，也是編隊氣動耦合效應建模的關鍵問題，對整個氣動耦合效應模型的精度也有一定的影響。

因此，本發明針對現存的長機尾渦建模方法所存在的精度和計算效率不足問題，提出一種連續馬蹄渦法。假設馬蹄渦沿機翼的1/4弦線連續分布，根據1/4弦線上的升力分布計算連續馬蹄渦在翼展方向上的環量分布，并引入渦絲的氣動扭轉系數，最大可能地模擬飛機尾渦產生的實際流場，提高長機尾渦的建模精度。同時，針對耦合效應的公式化問題，本發明設計了一套離散求平均的將僚機所受誘導速度轉化為誘導力和力矩的計算方式，使得編隊氣動耦合效應的建模精度進一步的提高。

發明內容

本發明提供了一種固定翼無人機的緊密編隊氣動耦合效應建模方法，其目的是針對固定翼無人機集群緊密編隊提供一種氣動耦合效應建模方法。旨在提高氣動耦合效應的建模精度和計算效率，為后續分析無人機的最優位置，使控制器更加有效的抑制氣動和不確定擾動，為最終實現無人機集群緊密編隊提供技術支撐。同時也建立了一套高精度的耦合效應公式化方法，使得編隊氣動耦合效應的建模精度進一步的提高。