超柔性太阳能无人机大扰动强耦合非线性飞行动力学与控制研究

The problem of large perturbative and strong coupled nonlinear dynamics and control exists in typical highly flexible solar-powered UAV, caused by the flight dynamics coupled with structural deformation and the over-limit exciting of gust. Aiming at the problem, a set of analysis models for aeroelastic dynamics suffering large perturbative and strong coupled nonlinearity are established.The geometrically nonlinear large structural deformation and the coupling of gust-structural-flight dynamics and so on are considered in the models, and a robustness analysis method is applied to quantificationally explore the characteristics of flight dynamics of the highly flexible solar-powered UAV for the first time, revealing the effect of the variation of stiffness, center of gravity, moment of inertia, configuration, aerodynamics and thrust caused by highly flexible structure. The gust response characteristics is researched for the low speed low freqency highly flexible solar-powered UAV, and a suitable method for alleviating the over-limit exciting of gust is proposed. Finally, a more precise theoretical system and an evaluation method of dynamics and control can be established for highly flexible solar-powered UAV.

针对超柔性太阳能无人机存在的结构变形与飞行运动耦合以及阵风超限激励带来的大扰动强耦合非线性动力学与控制问题，综合考虑几何非线性大结构变形、阵风－结构－飞行运动耦合等因素，建立大扰动强耦合非线性气动弹性动力学分析模型，采用鲁棒性分析方法，首次系统地定量研究超柔性太阳能无人机在大扰动状态下的强耦合非线性动力学特性，揭示超柔性结构引起的刚度、重心、转动惯量、无人机构形、气动特性、推进系统特性变化对该类无人机动态特性的影响规律，探索低速低频超柔性太阳能无人机的阵风响应特性，提出适合的阵风超限激励抑制方法，为超柔性太阳能无人机的动力学与控制特性评估提供一套更精准的理论体系和方法。

本项目以超柔性高空长航时太阳能无人机为背景，建立了大扰动强耦合非线性气动弹性动力学分析模型，研究了几何非线性结构、非定常气动力、结构动力学/飞行动力学耦合对该类型无人机的动态特性、鲁棒稳定性以及控制特性的影响，找到了一套适合超柔性太阳能无人机的既有足够精度又便于工程实现的动力学与控制特性评估方法。取得的主要结论为：（1）采用几何精确非线性本征梁模型处理柔性机翼结构动力学问题时，未知数数量庞大，而且方程组是严重病态的，因此数值模拟计算的速度非常缓慢。提出了空间缩聚法把空间离散差分方程缩聚为常系数矩阵格式，得到了只与时间相关的微分方程组，进一步推导得到了该方程组的雅可比矩阵，因而大大减少了方程组数量以及求解过程的循环和迭代步数。采用Gear方法分别求解了原始的本征梁元素模型和本文提出的缩聚模型，提高了运算速度约5.1倍。基于Co-rotational(CR)理论，推导了结构变形后的切线刚度矩阵及其内力求解格式、切线质量矩阵及动力学平衡方程，建立了高精度的几何非线性结构模型。采用Newton-Raphson迭代格式求解静力学增量平衡方程时，只需3-5次子迭代即可满足位移收敛标准，且最大求解误差不超过3%；（2）在巡航飞行的配平中，综合结果的可信度以及建模和计算的工作量来考虑，采用几何非线性结构和3维气动力组成的模型是用于配平分析的最好的选择；（3）飞行动力学特性方面，结构/飞行耦合的完全弹性模型是超柔性太阳能无人机纵向飞行稳定性分析的必要模型，而采用静气动弹性变形模型已经能够很好地评估该类型无人机的横航向飞行动力学特性；（4）采用准定常和非定常气动力的模型在大部分频率内的区别非常小，但是在飞行动力学感兴趣的区间内的非定常模型的奇异值略小，说明考虑非定常气动力效应后的稳定裕度比准定常模型略小，受到扰动后的飞行参数变化更剧烈；（5）以无人机的姿态和气动弹性变形为控制目标，采用全展向的分布式升降副翼和LQG/LTR控制方法，设计了大扰动强耦合条件下的鲁棒飞行控制律，最终得到的俯仰姿态控制的调节时间为3秒、稳态误差为0，而且动态过程的最大结构气动弹性变形量仅为配平量的2%，具有很好的动态性性能和鲁棒性能。 本项目研究成果已用于“863-705”某太阳能无人机项目。培养该方向的本科生2名、硕士生3名、博士生5名、博士后1名。已发表相关论文14篇，其中SCI索引1篇，EI索引13篇。