有關(guān)微型飛行器的小幅運動氣動力建模研究論文
有關(guān)微型飛行器的小幅運動氣動力建模研究論文
微型飛行器(MAVs)設(shè)計絕不是常規(guī)飛行器在尺度上的簡單縮小,面臨許多技術(shù)難題.其中微型飛行器低雷諾數(shù)空氣動力學(xué)是其最為根本的技術(shù)瓶頸之一,也是當(dāng)前受到廣泛關(guān)注的熱點之一。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：有關(guān)微型飛行器的小幅運動氣動力建模研究相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
有關(guān)微型飛行器的小幅運動氣動力建模研究全文如下：
【摘要】：針對微型飛行器的獨特氣動力特征,基于計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬結(jié)果,通過飛行器系統(tǒng)辨識的手段,運用ARX模型,建立了較高精度、較高效率的氣動力降階模型。算例表明,建立的氣動力模型能捕捉微飛行器特殊的流場非定常效應(yīng),將氣動力結(jié)果準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn),模型辨識與常規(guī)計算流體力學(xué)方法相比,保證了較高精度。
【關(guān)鍵詞】： 微型飛行器 低雷諾數(shù) 氣動力建模 ARX模型 流體力學(xué)方法
微型飛行器(Micro Air Vehicle, MAV)是體積微小的一類飛行器的總稱。微型飛行器由于其較小的體積，在執(zhí)行任務(wù)時，隱蔽性、靈活性強(qiáng)，具有較高的軍事和民用價值。不同于常規(guī)飛行器，微型飛行器的工作環(huán)境往往是在低速、低雷諾數(shù)下。微型飛行器主要可以分為固定翼、撲翼、旋翼等幾類，在國內(nèi)外一些高校都有相關(guān)實踐及成果，具體可參考文獻(xiàn)[1]和參考文獻(xiàn)[2]。由于體積較小，微型飛行器涉及的力學(xué)問題也不同于傳統(tǒng)情況。微型飛行器的小尺度非定常流體力學(xué)問題、撲翼飛機(jī)的柔性機(jī)翼問題以及旋翼機(jī)型廣泛存在的懸停狀態(tài)下升力問題，無不對目前航空學(xué)科的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。
目前微型飛行器發(fā)展的關(guān)鍵問題，涵蓋了氣動布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計、飛行控制等多學(xué)科內(nèi)容。其中低雷諾數(shù)空氣動力學(xué)，是其中較為突出的問題。目前的低雷諾數(shù)空氣動力學(xué)研究中，高攻角、小尺寸機(jī)翼的非定常氣動力問題是發(fā)展高性能微型飛行器的重點，而該問題的核心內(nèi)容則是研究低雷諾數(shù)下，非定常流動中翼型俯仰及沉浮運動的潛在物理機(jī)理，并且發(fā)展一系列能夠代替高性能求解器的更高效的氣動力模型。
1微型飛行器的低速空氣動力學(xué)及降階模型
非定常流場的求解，依賴于計算流體力學(xué) (Computational Fluid Dynamic, CFD)技術(shù)的發(fā)展。然而在工程實踐中明顯可以看到，CFD技術(shù)雖然計算精度高，但其最大的缺陷在于計算時間長、效率低，難以系統(tǒng)分析微型飛行器在不同飛行狀態(tài)下的氣動力情況。近年來國內(nèi)外發(fā)展了一種基于CFD的降階模型(ReducedOrder Model, ROM)技術(shù)，通過建立較低階數(shù)的氣動力模型，在縮小耗時的前提下，實現(xiàn)了較高精度的氣動力系數(shù)計算，因此成為目前的研究熱點。
當(dāng)前的ROM技術(shù)主要可分為基于經(jīng)典理論的氣動力降階模型，基于系統(tǒng)辨識方法的ROM和基于流場特征的ROM。這三類模型在具體應(yīng)用中有所差異，而且具體的實現(xiàn)方法也各不相同。基于經(jīng)典理論的氣動力降階模型，以Wagner. Theodorsen等人在20世紀(jì)二三十年代提出的經(jīng)典模型為代表，逐漸發(fā)展了一系列如ONERA，狀態(tài)空間模型在內(nèi)的針對不同情況的代數(shù)模型;基于系統(tǒng)辨識方法的氣動力降階模型，則是通過系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果，構(gòu)造系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，從而對新的輸入下的輸出結(jié)果進(jìn)行辨識，代表性方法有Volterra級數(shù)，ARMA模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等;基于流場特征的ROM，則是對表達(dá)流場特征的量進(jìn)行處理、降階，建立低階模型，其中本征正交分解和諧波平衡方法使用較多。本文采用系統(tǒng)辨識建模方法中的ARX模型進(jìn)行氣動力建模，針對微型飛行器小幅振蕩的輸入輸出數(shù)據(jù)，建立合理的動態(tài)模型。
2 ARX模型
ARX模型的全稱是autoregressive with exogenousinput model,即帶外輸入的自回歸模型。該模型是一種最小二乘模型，因此可以解決實際系統(tǒng)中的靜態(tài)線性或動態(tài)線性問題。
3算例驗證
由于微型飛行器在運動過程中以小幅運動為主，因此本文選取了NACA0006翼型的俯仰運動作為氣動力模型的訓(xùn)練及驗證算例，將CFD數(shù)值模擬得到的氣動力系數(shù)與建模結(jié)果進(jìn)行對比，從而驗證模型精度。根據(jù)流體力學(xué)相似理論，選取Re=65000，該雷諾數(shù)是微型飛行器的典型雷諾數(shù)，具有較強(qiáng)代表性;而流速較低(Ma<0.4)情況下，流體的壓縮性可忽略不計，因此為保證本文CFD求解器的準(zhǔn)確性，選擇了Ma=0. 25的低速情況 (實際的微型飛行器飛行速度約為8 ~18m/s)。
3. 1模型訓(xùn)練
模型的訓(xùn)練信號來自過濾的高斯白噪聲形成的隨機(jī)信號，作為俯仰運動輸入信號，計算得到的升力、力矩系數(shù)作為輸出信號。對于模型訓(xùn)練信號，規(guī)定了相對振幅A，當(dāng)A=1時，表T該信號中最大的位移大小為lrado本文的訓(xùn)練信號是A=0. 0 1下的俯仰運動輸入和對應(yīng)的氣動力系數(shù)輸出。
4結(jié)語
本文通過使用ARX模型，完成了微型飛行器的非定常氣動力建模，主要結(jié)論如下:(1)建立了微型飛行器的非定常氣動力模型，并用于解決小幅運動下的氣動力預(yù)測;(2)通過線性ARX模型訓(xùn)練得到的氣動力模型，能夠把握微型飛行器小幅運動下流動的動態(tài)線性特征;(3) ARX模型所使用的訓(xùn)練信號，可以涵蓋一定范圍和頻率下的運動，因此在預(yù)測不同運動形式時仍有較好結(jié)果。
參考文獻(xiàn)：
[1]袁昌盛，付金華.國際上微型飛行器的研究進(jìn)展與關(guān)鍵問題.航空兵器，2005, (6).
[2]昂海松.微型飛行器設(shè)計導(dǎo)論[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.
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