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《中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)》 2018年
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无人机起降滑跑与减振缓冲关键技术研究

邱东海  
【摘要】:随着无人机在军事和民用领域的广泛应用,人们对无人机地面运行特性的要求日益增高,对起落架等减振缓冲元件的设计也愈加苛刻,不仅要求设计元件有较高的结构强度,更需具备良好的动力学品质。好的品质才能保证机载设备在恶劣的动力学环境(振动与冲击)承受较小的噪声干扰,有较好的稳定性,以及提高自身的使用寿命。同时在起降滑跑过程中,无人机常因操纵不当而导致侧滑或者侧翻等危险事故发生,因此研究无人机地面运动的转弯性能与纠偏控制,对于提高无人机的安全性及机动性,具有十分重要的工程意义。基于此,本文针对某型无人机项目需求和研制目标,对无人机起落架缓冲机构设计、地面操纵转弯特性分析与纠偏控制、隔振系统优化、机翼减振控制等方面展开了研究工作,主要内容为:1.根据无人机轻量化与结构形式简单化要求,设计摇臂式前起落架缓冲机构和附加铰链滑靴机构的扁簧式主起落架:通过着陆滑跑过程动态分析,给出前起落架缓冲机构的性态与优化方案,然后以各工况约束条件对缓冲机构尺寸及弹簧刚度进行优化;根据缓冲理论计算主起落架的刚度范围,结合复合材料特性给出扁簧的铺层设计方案;通过刚柔混合建模方法,对起落架扁簧及关键金属元件进行动强度分析。结果表明,落震试验数据与理论结果一致性较好,误差小于12%,起落架在满足吸收功量的同时,飞机过载、缓冲行程满足要求,结构达到了预期的强度与刚度。2.为解决无人机安全起降问题,对无人机地面操纵转弯特性分析与纠偏控制进行研究:建立无人机地面滑跑的非线性数学模型,获取无人机地面运动的惯性参数及机轮状态;分析无人机的纠偏性能,计算无人机在各滑跑速度下所允许的极限操纵角;通过扰动线性化给出模型传递函数推导的方法,设计纠偏控制律;利用滑跑试验对设计控制律进行验证,结果表明无人机滑跑过程中运行平稳,可以有效保持在跑道中心附近,对小于4.6m/s的侧风干扰有良好的抑制作用。3.为提高机载相机对随机振动的抗干扰能力,对无人机地面隔振系统进行动力学建模与优化设计:建立地面隔振系统的动力学模型,采用滤波白噪声模拟路面不平度的方法分析路面随机激励对机载相机的影响;以机载相机加速度与角位移均方根最小为目标,对隔振系统参数进行优化。优化后相机的加速度均方根由0.63 m/s~2减小为0.25 m/s~2,减小了60.3%,角位移均方根由401''减小为147',减小了63.7%。4.为防止机翼结构出现疲劳或者共振破坏,采用双稳态非线性动力吸振器进行减振控制:对系统进行无量纲建模;通过多尺度法与复变量分析方法,分析各个激励条件下的振动响应;接着通过扰动分析计算各振动响应的临界激励点,给出吸振器的优化准则与设计模型。结果表明,该型吸振器表现出了吸振频带宽、效率高且轻量化的特点,且由于附加负刚度机构的双稳态力学特性,该型吸振器可有效提高不同能量激励下的鲁棒性。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:V279

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