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(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)行任務時，隱蔽性、靈活性強，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[1]和參考文獻[2]。由于體積較小，微型飛行器涉及的力學問題也不同于傳統(tǒng)情況。微型飛行器的小尺度非定常流體力學問題、撲翼飛機的柔性機翼問題以及旋翼機型廣泛存在的懸停狀態(tài)下升力問題，無不對目前航空學科的發(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)設計、飛行控制等多學科內(nèi)容。其中低雷諾數(shù)空氣動力學，是其中較為突出的問題。目前的低雷諾數(shù)空氣動力學研究中，高攻角、小尺寸機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及降階模型
非定常流場的求解，依賴于計算流體力學 (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)果進行辨識，代表性方法有Volterra級數(shù)，ARMA模型及神經(jīng)網(wǎng)絡等;基于流場特征的ROM，則是對表達流場特征的量進行處理、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)果進行對比，從而驗證模型精度。根據(jù)流體力學相似理論，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模型訓練
模型的訓練信號來自過濾的高斯白噪聲形成的隨機信號，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。對于模型訓練信號，規(guī)定了相對振幅A，當A=1時，表T該信號中最大的位移大小為lrado本文的訓練信號是A=0. 0 1下的俯仰運動輸入和對應的氣動力系數(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測;(2)通過線性ARX模型訓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模型所使用的訓練信號，可以涵蓋一定范圍和頻率下的運動，因此在預測不同運動形式時仍有較好結(jié)果。
參考文獻
[1]袁昌盛，付金華.國際上微型飛行器的研究進展與關(guān)鍵問題.航空兵器，2005, （6).
[2]昂海松.微型飛行器設計導論[M].西安:西北工業(yè)大學出版社，2012.
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