变化风场的建模与大展弦比无人机飞行仿真
|
摘要
根据长航时无人机的特殊飞行任务特点和技术要求，在飞行试验阶段，有必要综合考虑飞行环境中各种大气干扰因素的影响，为无人机设计与仿真提供一个真实、适时的风场时空分布模型。同时变化风场中的大展弦比无人机不能当作质点受力考虑，而应作分散受力考虑，需要建立无人机的“有限大小”模型。本文的工作就是围绕飞行环境模拟和无人机动力学仿真展开。具体内容如下：
1．分析了高空长航时无人机的飞行特点，统计了几种的典型航空气象特征，并提出大尺度风场的垂直分层型，最后总结了大气风场的常用数值模拟方法；
2．讨论了以下几种典型风场模型(大尺度均值风模型、Dryden紊流模型、微下击暴流模型和过山气流模型)的物理特征与建模方法，并对单一模型进行复合，建立变化风场模型库，最后讨论了各种模型的真实性与如何应用于飞行仿真；
3．对传统的质点飞机模型做了改进，建立了基于变化风场和“有限大小”概念的无人机动力学模型，讨论“四点法”模型的具体仿真实现方法；
4．首次针对大展弦比无人机，进行变化风场中飞行仿真，讨论各风场模型的真实性及其对飞行性能曲线的影响；
5．介绍了整个仿真软件的原理与算法流程，分析并总结了变化风场中的飞行注意事项。
本文的数值建模方法与实际仿真软件对无人机的总体设计、飞行任务规划及控制器设计等都有实际的参考意义。
In consideration of the special mission characteristics and technical requirement of High Altitude Long Endurance Unmanned Aerial Vehicle, an authentic real-time and space-time windfield integrated model is accomplished to take atmosphere environment influences into account. At the same time, we should analyze the dynamics the UAV encounters dispersedly, so the "Finite Scale" Aircraft concept is quoted. The focuses of this paper are on flight environment simulation and high span-chord ratio UAV model. The main contents and endeavour of this paper are as follow:
1. The flight characteristics of High Altitude Long Endurance UAV are analyzed, several typical kinds of Aeronautical Weather are ingathered, and the vertical distributing model of Large Scale Windfield is established, traditional numerical simulation methods of atmosphere environment are summarized.
2. Typical variable windfield models, such as Large Scale Steady Wind Flow, Downburst, Turbulence, Airflow over mountain, are developed and their physical specialities are discussed. Furthermore, simplex modules are integrated to form complex model. Facticity and application technique to flight simulation are discussed.
3. Some improvements are developed to traditional particle aircraft model, and dynamic UAV model based on variable windfield and "Finite Scale Aircraft" concept are established, what's more the implement algorithm of "four-point" model are described.
4. For the first time, flight simulation related to high span-chord ratio UAV based on variable windfield is executed, the facticity of windfield and its influence to flight performance curve are analyzed.
5. The principle and algorithm flow of the whole simulating programme are stated, and flight safety precautions in variable windfield and windshear resistance and alleviation technique are analyzed and summarized.
The results show that the wind effects are relatively severe and therefore control system design should take this fully into account. This paper gives significant references for UAV conceptual design, flight mission planning and trajectory controlling system design.
1．分析了高空长航时无人机的飞行特点，统计了几种的典型航空气象特征，并提出大尺度风场的垂直分层型，最后总结了大气风场的常用数值模拟方法；
2．讨论了以下几种典型风场模型(大尺度均值风模型、Dryden紊流模型、微下击暴流模型和过山气流模型)的物理特征与建模方法，并对单一模型进行复合，建立变化风场模型库，最后讨论了各种模型的真实性与如何应用于飞行仿真；
3．对传统的质点飞机模型做了改进，建立了基于变化风场和“有限大小”概念的无人机动力学模型，讨论“四点法”模型的具体仿真实现方法；
4．首次针对大展弦比无人机，进行变化风场中飞行仿真，讨论各风场模型的真实性及其对飞行性能曲线的影响；
5．介绍了整个仿真软件的原理与算法流程，分析并总结了变化风场中的飞行注意事项。
本文的数值建模方法与实际仿真软件对无人机的总体设计、飞行任务规划及控制器设计等都有实际的参考意义。
In consideration of the special mission characteristics and technical requirement of High Altitude Long Endurance Unmanned Aerial Vehicle, an authentic real-time and space-time windfield integrated model is accomplished to take atmosphere environment influences into account. At the same time, we should analyze the dynamics the UAV encounters dispersedly, so the "Finite Scale" Aircraft concept is quoted. The focuses of this paper are on flight environment simulation and high span-chord ratio UAV model. The main contents and endeavour of this paper are as follow:
1. The flight characteristics of High Altitude Long Endurance UAV are analyzed, several typical kinds of Aeronautical Weather are ingathered, and the vertical distributing model of Large Scale Windfield is established, traditional numerical simulation methods of atmosphere environment are summarized.
2. Typical variable windfield models, such as Large Scale Steady Wind Flow, Downburst, Turbulence, Airflow over mountain, are developed and their physical specialities are discussed. Furthermore, simplex modules are integrated to form complex model. Facticity and application technique to flight simulation are discussed.
3. Some improvements are developed to traditional particle aircraft model, and dynamic UAV model based on variable windfield and "Finite Scale Aircraft" concept are established, what's more the implement algorithm of "four-point" model are described.
4. For the first time, flight simulation related to high span-chord ratio UAV based on variable windfield is executed, the facticity of windfield and its influence to flight performance curve are analyzed.
5. The principle and algorithm flow of the whole simulating programme are stated, and flight safety precautions in variable windfield and windshear resistance and alleviation technique are analyzed and summarized.
The results show that the wind effects are relatively severe and therefore control system design should take this fully into account. This paper gives significant references for UAV conceptual design, flight mission planning and trajectory controlling system design.
引文
[1] 肖业伦，金长江，大气扰动中的飞行原理[M]．北京：国防工业出版社，1993，1
[2] Paul Aaron Robinson: The Modeling of Turbulence and Downbursts for Flight Simulators. UTIAS Report, No.339, January 1991, Canada
[3] 国外无人机大全编写组，国外无人机大全[M]．北京：航空工业出版社，2001，6
[4] 李爱军，沈毅，章卫国，发展中的高空长航时无人机．航空科学技术，2001，2
[5] 季斌南，长航时无人机的特点、作用及发展动向．国际航空，1997，2
[6] 陈延良，现代运输机航空气象学[M]．北京：气象出版社．1992，11
[7] 章澄昌，飞行气象学[M]．北京：气象出版社，2000
[8] 伊藤博，航空气象[M]．北京：科学出版社，1981，2
[9] 庞国峰，王晋军，虚拟战场环境中的大气环境的研究与应用．飞行力学，2003，3
[10] Woodfield A A., Wood J F. Worldwide Experience of Wind Shear During 1981～1982. AGARD CP No. 347,1983
[11] Wu, Y.F. and H. U. Widdel, J.Atmos.Soi., Vol.49,p.1781, 1992
[12] Hirota, L., Handbook for MAP,Vol. 16,p. 144, 1985
[13] 马瑞平，用织女—号火箭在海南站探测的高空风和风切变．空间科学学报，1997，1
[14] 赵人濂，陈振官，风切变与运载火箭设计．宇航学报，1998，4
[15] 马瑞平，廖怀哲，中国地区20—80km高空风的一些特征．空间科学学报，1999，10
[16] 莫文涛，李维亮，二维全球气候模式的发展——由对流层向平流层的扩展．应用气象学报，01994，5
[17] 军用规范——有人驾驶飞机的飞行品质[MIL-F-8785C]．飞行力学编辑部，1982
[18] 军用规范——有人驾驶飞机的飞行品质[MIL-F-8785B(ASG)]的背景材料和使用指南．国外航空编辑部，1977
[19] (德)布罗克豪斯著；金长江译，飞行控制[M]．北京：国防工业出版社，1999，9
[20] 张有济，战术导弹飞行力学设计[M]．北京：宇航出版社，1996
[21] B.Etkin．大气飞行动力学(Dynamics of Atmospheric Flight)[M]．北京：科学出版社，1979，9
[22] B.Etkin: Theory of the Flight of Airplanes in lsotropic Turbulence—Review and Extension. AGARD Rept. 372, 196
[23] B.Etkin: Turbulent Wind and Its Effect on Flight. J.Aircraft vol.18, No.5, pp.327-345,1981,5
[24] Walter Frost: Wind Shear Terms in the Equations of Aircraft Motion. J.Aircraft. vol.21, No. 11, pp.868-872, 1984,11.
[25] Zhu. S. and B.Etkin: Fluid Dynamic Model of a Downburst. UTIAS Report, No. 271, 1983,4,Canada
[26] 朱上翔，微下击暴流的流体动力学模型．飞行力学，1984，2
[27] Zhu. S. and B.Etkin: Model of the Wind Field in a Downburst. J. Aircraft, Vol.22, No.7,1985,7
[28] 孙庆民，金长江，微下冲气流数值模拟，飞行力学，1995，12
[29] C.Warren Campbell and V.A.Sanbornt. A Spatial Model of Wind Shear And Turbulence. J.Aircraft. vol.21,No. 12,pp.929-935, 1984
[30] Frank B. Tatom and Stephen R. Smith, Simulation of Atmosphere Turbulent Gusts and Gust Gradients. J.A ircraft, vol. 19,No. 14, pp. 264-271, 1981
[31] 赵震炎，肖业伦，施毅坚，Dryden大气紊流模型的数字仿真技术．航空学报，1986，7，(5、)433～443
[32] 肖业伦，Dryden大气紊流频谱的等价确定性函数及其在飞机相应问题中的应用．航空学报，1986，4，(2)198～203
[33] 肖业伦，用于飞行仿真的二维紊流场的数字生成法．航空学报，1990，11(4)：124～129
[34] 洪冠新，肖业伦，用蒙特卡罗法仿真生成三维空间大气紊流场．航空学报，2001，11(6)：542～545
[35] 马东立，大气紊流数字仿真的改进方法．北京航空航天大学学报，1990(3)：57～63
[36] 童中翔，王晓东，大气紊流仿真算法的改进．空军工程大学学报，2002，12，(6)：10～12
[37] Margaret B.Alexander and Dennis W.Camp. Magnitude and Frequency of Wind Speed Shears from 3 to 150 Meters, J. Aircraft, Vol.18, No.7, 1981,7
[38] 洪冠新，董海宁，金长江，过山气流的一种工程模拟方法．飞行力学，1998．6
[39] 刘刚，洪冠新，金长江，复杂地形上空超低空风场的工程仿真方法．北京航空航天大学学报，2003，3
[40] 袁子怀，钱杏芳，有控飞行力学与计算机仿真[M]．北京：国防工业出版社，2001，4
[41] 肖业伦，飞行器运动方程[M]．北京：航空工业出版社，1987，7
[42] 肖业伦，航空航天器运动的建模——飞行动力学的理论基础[M]．北京：北航出版社，2003，6
[43] 张明廉，飞行控制系统[M]．北京：航空工业出版社，1994，7
[44] An Jiguang, Yan Zhen, The Numerical Computation of Airplane Response to Arbitrary Vertical Gust Distributions. J. Aircraft, Vol. 18, No.7, 1984
[45] J.C. Houbolt, R. Steiner, and K. G. Pratt. Dynamic Response of Airplanes to Atmospheric Turbulence Including Flight Data on Input and Response. NASA TR-R-199, 1964.
[46] 肖业伦，飞机在变化风场中三维运动的数值仿真．飞行力学，1991，3
[47] 王建培，风切变下飞机着陆优化．航空学报．1993，8
[48] 殷俊，谷雷，GPS自动归航系统在变化风场中的轨迹．飞行力学，2001，3
[49] 陈扬鉴，飞机对连续大气紊流时域响应的数字计算．飞行力学，1994，6
[50] 徐军，张明廉等，飞行控制系统的非线性鲁棒控制．航空学报，1998，4
[51] 徐军，张明廉等，敏捷性飞机飞行控制系统设计方法研究．北航学报，1999．2
[52] 陈怦，赵涛，王建培，无人机穿越变化风场起飞特性仿真研究．飞行力学，2002，6
[53] 陈怦，赵涛，王建培，无人机发射过程仿真与参数敏感性分析．飞行力学，2002．3
[54] 张洪，风切变对飞行的危险性评估．飞行力学，1992，12
[55] 张洪，飞机抗拒风切变能力的计算．中国民航学院学报．1992，9
[56] 柏兆贵，低层风切变对大型运输机自动着陆的影响．1992．2
[57] 王红卫，建模与仿真[M]．北京：科学出版社，2002，3
[58] 吴重光，仿真技术[M]．北京：化学工业出版社，2000，5
[59] William F.Lucas，微分方程模型[M]．长沙：国防科技大学出版社，1998，5
[60] 王树禾，微分方程模型与混沌[M]．合肥：中国科技大学出版社，1999，1
[61] 程麟生．大气数值模拟[M]．北京：气象出版社，1991
[62] 林振山，非线性力学与大气科学[M]．南京大学出版社，2001
[63] 谢应齐，奇异摄动方法及其在大气科学中的应用[M]．云南大学出版社 1989
[64] 谢应齐，非线性动力学数学方法[M]．北京：气象出版社，2001
[65] 薛定宇，控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言及应用[M]．北京：清华大学出版社，1996
[66] 许波，刘征，Matlab工程数学应用[M]．清华大学出版社，2000，4
[67] John H. Mathews and Kurtis P. Fink, 陈渝译，数值方法(Matlab版Version Ⅲ) [M].北京：电子工业出版社，2002，6
[68] Mochand Mokhtari and Michel Marie,赵彦玲译，Matlab与Simulink工程应用[M].北京：电子工业出版社，2002，1
[2] Paul Aaron Robinson: The Modeling of Turbulence and Downbursts for Flight Simulators. UTIAS Report, No.339, January 1991, Canada
[3] 国外无人机大全编写组，国外无人机大全[M]．北京：航空工业出版社，2001，6
[4] 李爱军，沈毅，章卫国，发展中的高空长航时无人机．航空科学技术，2001，2
[5] 季斌南，长航时无人机的特点、作用及发展动向．国际航空，1997，2
[6] 陈延良，现代运输机航空气象学[M]．北京：气象出版社．1992，11
[7] 章澄昌，飞行气象学[M]．北京：气象出版社，2000
[8] 伊藤博，航空气象[M]．北京：科学出版社，1981，2
[9] 庞国峰，王晋军，虚拟战场环境中的大气环境的研究与应用．飞行力学，2003，3
[10] Woodfield A A., Wood J F. Worldwide Experience of Wind Shear During 1981～1982. AGARD CP No. 347,1983
[11] Wu, Y.F. and H. U. Widdel, J.Atmos.Soi., Vol.49,p.1781, 1992
[12] Hirota, L., Handbook for MAP,Vol. 16,p. 144, 1985
[13] 马瑞平，用织女—号火箭在海南站探测的高空风和风切变．空间科学学报，1997，1
[14] 赵人濂，陈振官，风切变与运载火箭设计．宇航学报，1998，4
[15] 马瑞平，廖怀哲，中国地区20—80km高空风的一些特征．空间科学学报，1999，10
[16] 莫文涛，李维亮，二维全球气候模式的发展——由对流层向平流层的扩展．应用气象学报，01994，5
[17] 军用规范——有人驾驶飞机的飞行品质[MIL-F-8785C]．飞行力学编辑部，1982
[18] 军用规范——有人驾驶飞机的飞行品质[MIL-F-8785B(ASG)]的背景材料和使用指南．国外航空编辑部，1977
[19] (德)布罗克豪斯著；金长江译，飞行控制[M]．北京：国防工业出版社，1999，9
[20] 张有济，战术导弹飞行力学设计[M]．北京：宇航出版社，1996
[21] B.Etkin．大气飞行动力学(Dynamics of Atmospheric Flight)[M]．北京：科学出版社，1979，9
[22] B.Etkin: Theory of the Flight of Airplanes in lsotropic Turbulence—Review and Extension. AGARD Rept. 372, 196
[23] B.Etkin: Turbulent Wind and Its Effect on Flight. J.Aircraft vol.18, No.5, pp.327-345,1981,5
[24] Walter Frost: Wind Shear Terms in the Equations of Aircraft Motion. J.Aircraft. vol.21, No. 11, pp.868-872, 1984,11.
[25] Zhu. S. and B.Etkin: Fluid Dynamic Model of a Downburst. UTIAS Report, No. 271, 1983,4,Canada
[26] 朱上翔，微下击暴流的流体动力学模型．飞行力学，1984，2
[27] Zhu. S. and B.Etkin: Model of the Wind Field in a Downburst. J. Aircraft, Vol.22, No.7,1985,7
[28] 孙庆民，金长江，微下冲气流数值模拟，飞行力学，1995，12
[29] C.Warren Campbell and V.A.Sanbornt. A Spatial Model of Wind Shear And Turbulence. J.Aircraft. vol.21,No. 12,pp.929-935, 1984
[30] Frank B. Tatom and Stephen R. Smith, Simulation of Atmosphere Turbulent Gusts and Gust Gradients. J.A ircraft, vol. 19,No. 14, pp. 264-271, 1981
[31] 赵震炎，肖业伦，施毅坚，Dryden大气紊流模型的数字仿真技术．航空学报，1986，7，(5、)433～443
[32] 肖业伦，Dryden大气紊流频谱的等价确定性函数及其在飞机相应问题中的应用．航空学报，1986，4，(2)198～203
[33] 肖业伦，用于飞行仿真的二维紊流场的数字生成法．航空学报，1990，11(4)：124～129
[34] 洪冠新，肖业伦，用蒙特卡罗法仿真生成三维空间大气紊流场．航空学报，2001，11(6)：542～545
[35] 马东立，大气紊流数字仿真的改进方法．北京航空航天大学学报，1990(3)：57～63
[36] 童中翔，王晓东，大气紊流仿真算法的改进．空军工程大学学报，2002，12，(6)：10～12
[37] Margaret B.Alexander and Dennis W.Camp. Magnitude and Frequency of Wind Speed Shears from 3 to 150 Meters, J. Aircraft, Vol.18, No.7, 1981,7
[38] 洪冠新，董海宁，金长江，过山气流的一种工程模拟方法．飞行力学，1998．6
[39] 刘刚，洪冠新，金长江，复杂地形上空超低空风场的工程仿真方法．北京航空航天大学学报，2003，3
[40] 袁子怀，钱杏芳，有控飞行力学与计算机仿真[M]．北京：国防工业出版社，2001，4
[41] 肖业伦，飞行器运动方程[M]．北京：航空工业出版社，1987，7
[42] 肖业伦，航空航天器运动的建模——飞行动力学的理论基础[M]．北京：北航出版社，2003，6
[43] 张明廉，飞行控制系统[M]．北京：航空工业出版社，1994，7
[44] An Jiguang, Yan Zhen, The Numerical Computation of Airplane Response to Arbitrary Vertical Gust Distributions. J. Aircraft, Vol. 18, No.7, 1984
[45] J.C. Houbolt, R. Steiner, and K. G. Pratt. Dynamic Response of Airplanes to Atmospheric Turbulence Including Flight Data on Input and Response. NASA TR-R-199, 1964.
[46] 肖业伦，飞机在变化风场中三维运动的数值仿真．飞行力学，1991，3
[47] 王建培，风切变下飞机着陆优化．航空学报．1993，8
[48] 殷俊，谷雷，GPS自动归航系统在变化风场中的轨迹．飞行力学，2001，3
[49] 陈扬鉴，飞机对连续大气紊流时域响应的数字计算．飞行力学，1994，6
[50] 徐军，张明廉等，飞行控制系统的非线性鲁棒控制．航空学报，1998，4
[51] 徐军，张明廉等，敏捷性飞机飞行控制系统设计方法研究．北航学报，1999．2
[52] 陈怦，赵涛，王建培，无人机穿越变化风场起飞特性仿真研究．飞行力学，2002，6
[53] 陈怦，赵涛，王建培，无人机发射过程仿真与参数敏感性分析．飞行力学，2002．3
[54] 张洪，风切变对飞行的危险性评估．飞行力学，1992，12
[55] 张洪，飞机抗拒风切变能力的计算．中国民航学院学报．1992，9
[56] 柏兆贵，低层风切变对大型运输机自动着陆的影响．1992．2
[57] 王红卫，建模与仿真[M]．北京：科学出版社，2002，3
[58] 吴重光，仿真技术[M]．北京：化学工业出版社，2000，5
[59] William F.Lucas，微分方程模型[M]．长沙：国防科技大学出版社，1998，5
[60] 王树禾，微分方程模型与混沌[M]．合肥：中国科技大学出版社，1999，1
[61] 程麟生．大气数值模拟[M]．北京：气象出版社，1991
[62] 林振山，非线性力学与大气科学[M]．南京大学出版社，2001
[63] 谢应齐，奇异摄动方法及其在大气科学中的应用[M]．云南大学出版社 1989
[64] 谢应齐，非线性动力学数学方法[M]．北京：气象出版社，2001
[65] 薛定宇，控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言及应用[M]．北京：清华大学出版社，1996
[66] 许波，刘征，Matlab工程数学应用[M]．清华大学出版社，2000，4
[67] John H. Mathews and Kurtis P. Fink, 陈渝译，数值方法(Matlab版Version Ⅲ) [M].北京：电子工业出版社，2002，6
[68] Mochand Mokhtari and Michel Marie,赵彦玲译，Matlab与Simulink工程应用[M].北京：电子工业出版社，2002，1