有關(guān)微型飛行器的小幅運(yùn)動(dòng)氣動(dòng)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(wù)時(shí)，隱蔽性、靈活性強(qiáng)，具有較高的軍事和民用價(jià)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(guó)內(nèi)外一些高校都有相關(guān)實(shí)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(wèn)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(wèn)題、撲翼飛機(jī)的柔性機(jī)翼問(wèn)題以及旋翼機(jī)型廣泛存在的懸停狀態(tài)下升力問(wèn)題，無(wú)不對(duì)目前航空學(xué)科的發(fā)展帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
目前微型飛行器發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，涵蓋了氣動(dòng)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛行控制等多學(xué)科內(nèi)容。其中低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)，是其中較為突出的問(wèn)題。目前的低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)研究中，高攻角、小尺寸機(jī)翼的非定常氣動(dòng)力問(wèn)題是發(fā)展高性能微型飛行器的重點(diǎn)，而該問(wèn)題的核心內(nèi)容則是研究低雷諾數(shù)下，非定常流動(dòng)中翼型俯仰及沉浮運(yùn)動(dòng)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(dòng)力模型。
1微型飛行器的低速空氣動(dòng)力學(xué)及降階模型
非定常流場(chǎng)的求解，依賴于計(jì)算流體力學(xué) (Computational Fluid Dynamic, CFD)技術(shù)的發(fā)展。然而在工程實(shí)踐中明顯可以看到，CFD技術(shù)雖然計(jì)算精度高，但其最大的缺陷在于計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、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(dòng)力情況。近年來(lái)國(guó)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(guò)建立較低階數(shù)的氣動(dòng)力模型，在縮小耗時(shí)的前提下，實(shí)現(xiàn)了較高精度的氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算，因此成為目前的研究熱點(diǎn)。
當(dāng)前的ROM技術(shù)主要可分為基于經(jīng)典理論的氣動(dòng)力降階模型，基于系統(tǒng)辨識(shí)方法的ROM和基于流場(chǎng)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(shí)現(xiàn)方法也各不相同。基于經(jīng)典理論的氣動(dòng)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(duì)不同情況的代數(shù)模型;基于系統(tǒng)辨識(shí)方法的氣動(dòng)力降階模型，則是通過(guò)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(duì)新的輸入下的'輸出結(jié)果進(jìn)行辨識(shí)，代表性方法有Volterra級(jí)數(shù)，ARMA模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等;基于流場(chǎng)特征的ROM，則是對(duì)表達(dá)流場(chǎng)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(shí)建模方法中的ARX模型進(jìn)行氣動(dòng)力建模，針對(duì)微型飛行器小幅振蕩的輸入輸出數(shù)據(jù)，建立合理的動(dòng)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(shí)際系統(tǒng)中的靜態(tài)線性或動(dòng)態(tài)線性問(wèn)題。
3算例驗(yàn)證
由于微型飛行器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以小幅運(yùn)動(dòng)為主，因此本文選取了NACA0006翼型的俯仰運(yùn)動(dòng)作為氣動(dòng)力模型的訓(xùn)練及驗(yàn)證算例，將CFD數(shù)值模擬得到的氣動(dòng)力系數(shù)與建模結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)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(jì)，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(shí)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(hào)來(lái)自過(guò)濾的高斯白噪聲形成的隨機(jī)信號(hào)，作為俯仰運(yùn)動(dòng)輸入信號(hào)，計(jì)算得到的升力、力矩系數(shù)作為輸出信號(hào)。對(duì)于模型訓(xùn)練信號(hào)，規(guī)定了相對(duì)振幅A，當(dāng)A=1時(shí)，表T該信號(hào)中最大的位移大小為lrado本文的訓(xùn)練信號(hào)是A=0. 0 1下的俯仰運(yùn)動(dòng)輸入和對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)力系數(shù)輸出。
4結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)使用ARX模型，完成了微型飛行器的非定常氣動(dòng)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(dòng)力模型，并用于解決小幅運(yùn)動(dòng)下的氣動(dòng)力預(yù)測(cè);(2)通過(guò)線性ARX模型訓(xùn)練得到的氣動(dòng)力模型，能夠把握微型飛行器小幅運(yùn)動(dòng)下流動(dòng)的動(dòng)態(tài)線性特征;(3) ARX模型所使用的訓(xùn)練信號(hào)，可以涵蓋一定范圍和頻率下的運(yùn)動(dòng)，因此在預(yù)測(cè)不同運(yùn)動(dòng)形式時(shí)仍有較好結(jié)果。
參考文獻(xiàn)
[1]袁昌盛，付金華.國(guó)際上微型飛行器的研究進(jìn)展與關(guān)鍵問(wèn)題.航空兵器，2005, （6).
[2]昂海松.微型飛行器設(shè)計(jì)導(dǎo)論[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.
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