无人机风梯度动态滑翔机理与航迹优化研究

Long endurance and long distance flight is one of the advancing edges for UAVs’ (Unmanned Aerial Vehicles) performance development. This project investigates a new flight pattern as a means of green power from atmosphere environment for aircraft. The flight pattern is to make use of periodic dynamic soaring path to extract energy from the wind field in which the physical quantity changed of gradient, without requiring additional propulsive power or little power to fulfill the flight. Firstly, the project concludes the characteristics of albatross’ dynamic soaring, including energy extraction mechanism analysis of dynamic soaring. Secondly, the gradient wind’s direction is taken into decomposition, the direction zone of UAVs’ optimal trajectory in dynamic soaring is investigated. In the direction zone of UAVs’ optimal dynamic soaring trajectory, a comprehensive study on the performance of long endurance and long distance trajectory optimization of engineless UAV in dynamic soaring is investigated. Meanwhile, a control system for autonomous dynamic soaring is designed, the control system is implemented through the multiple closed loop control structure by state full feedback and control variable feedback. Finally, in order to verify the accuracy of the conclusions of the study, experiments are performed. The project can provide design thoughts and analysis method for UAVs’ long endurance and long distance flight by use of gradient wind energy, which is very important for UAVs performance improvements.

长航时和远距离飞行是无人机性能拓展的前沿方向之一。本项目研究如何利用蕴含在大气环境中的能量进行绿色飞行的新模式，这种飞行模式通过形成周期性的动态滑翔轨迹，依靠穿越特殊的风场—物理量呈梯度变化的区域中获取能量，用较少或基本不用自身携带的能源进行飞行。首先，总结信天翁动态滑翔的基本特征，对风梯度动态滑翔的能量获取机理进行分析；然后，采用将梯度风场方向分解的分析方法，探讨风梯度滑翔过程中最优航迹方向范围，在已获得的最优航迹的方向范围内，提出以长航时与远距离为优化目标的梯度风能利用策略；同时，对风梯度动态滑翔过程中的无人机自主控制进行设计，提出以状态变量全反馈为主、控制变量反馈相结合的闭环控制法；最后，设计相应的飞行实验验证研究结论的准确性。本项目的研究为无人机利用梯度风能实现其长航时和远距离飞行提供基本的设计思路和分析方法，对无人机性能的提升具有十分重要的意义。

长航时和远距离飞行是无人机性能拓展的前沿方向之一。本项目研究了如何利用蕴含在大气环境中的能量进行绿色飞行的新模式，这种飞行模式通过形成周期性的动态滑翔轨迹，依靠穿越特殊的风场—物理量呈梯度变化的区域中获取能量，用较少或基本不用自身携带的能源进行飞行。风梯度动态滑翔作为可实现无人机长航时和远距离飞行的一种重要辅助策略，如何实现动态滑翔过程中不断获取蕴含在风场中的能量是核心问题之一。首先，总结了信天翁动态滑翔特征，主要是其独特的滑翔航迹及相应的速度变化规律；对风梯度动态滑翔应用于飞行器的研究进展进行了概述，包括对风梯度动态滑翔过程中获能机理的分析、航迹优化算法、航迹搜索等。然后，对风梯度滑翔过程中最优航迹方向范围进行了分析，通过引入切入角的概念，将方向范围的确定转化为求解切入角的大小；根据滑翔的航迹特征，将其分为逆风爬升、高空转弯、顺风下滑、低空转弯四段进行分析，同时，采用将梯度风场方向分解的分析方法，确定了风梯度动态滑翔过程中，能量的获取/损失与切入角之间的关系；在已获得的最优航迹的方向范围内，提出了以长航时与远距离为优化目标的梯度风能利用策略。接下来，对风梯度动态滑翔过程中的无人机自主控制进行了设计，提出了以状态变量全反馈为主、控制变量反馈相结合的闭环控制法，对实现动态滑翔的自主控制提出了相应的理论模型和框架。最后，为了验证前述优化仿真结论的准确性，设计了相应的飞行实验；在实验过程中，无人机如果按照优化所得的航迹及状态参数飞行，则实验前后的能量状态无明显变化；无人机如果不按照优化所得的航迹及状态参数飞行，则在飞行过程中有较大的能量损失。本项目的研究为无人机利用梯度风能实现其长航时和远距离飞行提供基本的设计思路和分析方法，对无人机性能的提升具有十分重要的意义。