扁簧式起落架无人机着陆滑跑关键技术研究

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1、ResearchonTheKeyTecnologiesofLandingandTaxiingforLeafSpringLandingGearUAVByXueZhi-pengADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceinEngineeringChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcad

2、emyofSciencesMay,2015摘要扁簧式起落架无人机着陆滑跑关键技术研究薛志鹏(机械制造及其自动化)导师：贾宏光研究员摘要起落架是无人机地面缓冲装置的核心组成部分，其性能不仅影响无人机着陆、滑跑等地面运动的动态特性，而且直接关系到起降的安全。扁簧作为一种经典的缓冲器形式，为众多中小型无人机所采用。由于扁簧的结构性能需要同时兼顾刚度、强度以及吸收冲击能量等指标要求，所以扁簧的设计一直是一个非常复杂的过程。因此，有必要对扁簧式起落架系统的运动机理和建模方法进行研究，从而借助仿真技术来指导起落架的设计与性能分析。本文针对扁簧式起落架无人机，从扁簧的精确弹性建模

3、入手，结合刚-柔耦合运动机理研究，分别对扁簧结构和起落架机构的动态性能进行了分析，提出了通过仿真与试验相结合的测试手段来研究起落架性能的方法，这对于指导扁簧和起落架系统的设计，保证无人机良好的地面运动特性，降低研发成本具有重要意义。为了建立更为接近真实系统的仿真模型，本文还搭建了多学科仿真平台，结合滑跑纠偏控制器的设计，对着陆、滑跑过程中，起落架动态性能和滑跑纠偏控制等关键问题进行研究，主要内容包括：1.对基于模态叠加原理建立扁簧弹性模型的方法进行了介绍，给出了模态坐标微分方程的状态空间描述方法以及模态缩减方法。针对扁簧在变形过程中旋转变形较大的特点，采用模态旋转方

4、法对扁簧进行精确弹性建模，通过对变形体的运动学分析，得到模态坐标下旋转变形的求解方法并将其引入模态坐标微分方程，从而获得了更为精确的扁簧弹性模型。进行了典型悬臂梁算例和扁I中国科学院大学博士学位论文：无人机地面滑跑关键技术研究簧静力学的仿真与试验，结果表明在设计载荷范围内两种模态方法均能够保证5%以内的计算误差，在极限载荷情况下模态叠加方法的计算误差已经超过35%，而模态旋转方法仍能够保证10%以内的计算误差。2.对扁簧刚-柔耦合运动机理进行研究，推导了浮动参考坐标系下带有拉格朗日乘子的扁簧刚-柔耦合动力学增广矩阵方程。对浮动参考坐标系中由于弹性变形与刚体运动耦合导

5、致的变形体质量矩阵高度非线性的问题进行了分析。兼顾方程的计算精度与解算效率，采用弹性动力学线性理论对动力学方程进行简化，结合扁簧弹性模型建立了扁簧式起落架的落震仿真模型。通过落震仿真与试验，完成了对起落架动态性能的测试，并验证了落震模型的计算精度。3.将所提出的刚-柔耦合建模方法应用于无人机多体动力学的研究，建立了包含前起落架，扁簧式起落架，轮胎，机体的无人机刚-柔耦合模型。并搭建了无人机多学科仿真平台，对着陆过程中扁簧式起落架的动态特性进行更为全面、系统的测试。仿真测试通过后，进行了无人机物理样机的外场首飞试验。4.采用主轮差动刹车的方式对无人机的低速滑跑阶段进行

6、纠偏控制，基于遗传算法对指定构型的差动刹车纠偏控制律参数进行寻优设计，适应度函数的构造同时考虑了控制器的纠偏和抗侧风性能。建立了无人机地面非线性数学模型用于纠偏控制器的设计，并将多学科仿真平台应用于控制器的验证。差动刹车纠偏控制器表现出了良好的侧向纠偏和航向操纵性能，能够平稳的消除侧偏距离且未出现纠偏过量的现象。在持续4级侧风扰动条件下，仍能够将无人机的侧偏距离控制在1.5m以内。关键词：扁簧式起落架；弹性建模；模态旋转；刚-柔耦合动力学；滑跑纠偏控制；遗传算法；多学科仿真IIAbstractResearchonTheKeyTecnologiesofLandinga

7、ndTaxiingforLeafSpringLandingGearUAVXueZhi-peng(MechanicalManufactureandAutomation)DirectedbyProf.JiaHong-guangAbstractLandinggearsystemisthekeycomponentoftheon-groundshockabsorberofUnmannedAerialVehicle(UAV).Thepropertyofthelandinggearcandirectlyinfluencethelanding,taxiingdynamicbeh