微型飛行器的小幅運動氣動力建模研究論文

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　　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，在執行任務時，隱蔽性、靈活性強，具有較高的軍事和民用價值。不同于常規飛行器，微型飛行器的工作環境往往是在低速、低雷諾數下。微型飛行器主要可以分為固定翼、撲翼、旋翼等幾類，在國內外一些高校都有相關實踐及成果，具體可參考文獻[1]和參考文獻[2]。由于體積較小，微型飛行器涉及的力學問題也不同于傳統情況。微型飛行器的小尺度非定常流體力學問題、撲翼飛機的柔性機翼問題以及旋翼機型廣泛存在的懸停狀態下升力問題，無不對目前航空學科的發展帶來了新的挑戰。

　　目前微型飛行器發展的關鍵問題，涵蓋了氣動布局、結構設計、飛行控制等多學科內容。其中低雷諾數空氣動力學，是其中較為突出的問題。目前的低雷諾數空氣動力學研究中，高攻角、小尺寸機翼的非定常氣動力問題是發展高性能微型飛行器的重點，而該問題的核心內容則是研究低雷諾數下，非定常流動中翼型俯仰及沉浮運動的潛在物理機理，并且發展一系列能夠代替高性能求解器的更高效的氣動力模型。

　　1微型飛行器的低速空氣動力學及降階模型

　　非定常流場的求解，依賴于計算流體力學 (Computational Fluid Dynamic, CFD)技術的發展。然而在工程實踐中明顯可以看到，CFD技術雖然計算精度高，但其最大的缺陷在于計算時間長、效率低，難以系統分析微型飛行器在不同飛行狀態下的氣動力情況。近年來國內外發展了一種基于CFD的降階模型(ReducedOrder Model, ROM)技術，通過建立較低階數的氣動力模型，在縮小耗時的前提下，實現了較高精度的氣動力系數計算，因此成為目前的研究熱點。

　　當前的ROM技術主要可分為基于經典理論的氣動力降階模型，基于系統辨識方法的ROM和基于流場特征的ROM。這三類模型在具體應用中有所差異，而且具體的實現方法也各不相同�；�于經典理論的氣動力降階模型，以Wagner. Theodorsen等人在20世紀二三十年代提出的經典模型為代表，逐漸發展了一系列如ONERA，狀態空間模型在內的針對不同情況的代數模型;基于系統辨識方法的氣動力降階模型，則是通過系統的輸入輸出結果，構造系統的輸入輸出關系，從而對新的輸入下的'輸出結果進行辨識，代表性方法有Volterra級數，ARMA模型及神經網絡等;基于流場特征的ROM，則是對表達流場特征的量進行處理、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。本文采用系統辨識建模方法中的ARX模型進行氣動力建模，針對微型飛行器小幅振蕩的輸入輸出數據，建立合理的動態模型。

　　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，因此可以解決實際系統中的靜態線性或動態線性問題。

　　3算例驗證

　　由于微型飛行器在運動過程中以小幅運動為主，因此本文選取了NACA0006翼型的俯仰運動作為氣動力模型的訓練及驗證算例，將CFD數值模擬得到的氣動力系數與建模結果進行對比，從而驗證模型精度。根據流體力學相似理論，選取Re=65000，該雷諾數是微型飛行器的典型雷諾數，具有較強代表性;而流速較低(Ma<0.4)情況下，流體的壓縮性可忽略不計，因此為保證本文CFD求解器的準確性，選擇了Ma=0. 25的低速情況 (實際的微型飛行器飛行速度約為8 ~18m/s)。

　　3. 1模型訓練

　　模型的訓練信號來自過濾的高斯白噪聲形成的隨機信號，作為俯仰運動輸入信號，計算得到的升力、力矩系數作為輸出信號。對于模型訓練信號，規定了相對振幅A，當A=1時，表T該信號中最大的位移大小為lrado本文的訓練信號是A=0. 0 1下的俯仰運動輸入和對應的氣動力系數輸出。

　　4結語

　　本文通過使用ARX模型，完成了微型飛行器的非定常氣動力建模，主要結論如下:(1)建立了微型飛行器的非定常氣動力模型，并用于解決小幅運動下的氣動力預測;(2)通過線性ARX模型訓練得到的氣動力模型，能夠把握微型飛行器小幅運動下流動的動態線性特征;(3) ARX模型所使用的訓練信號，可以涵蓋一定范圍和頻率下的運動，因此在預測不同運動形式時仍有較好結果。

　　參考文獻

　　[1]袁昌盛，付金華.國際上微型飛行器的研究進展與關鍵問題.航空兵器，2005, （6).

　　[2]昂海松.微型飛行器設計導論[M].西安:西北工業大學出版社，2012.

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