系留无人机绕线系统的研究与设计

摘要

随着无人机技术的不断进步，其应用越来越广泛，但无人机普遍存在着电池供电造成的动力不足、飞行时间短等缺陷，影响了使用性能，而系留无人机通过有线供电能很好地克服上述问题。为保证系留无人机正常工作，其系留机构，特别是绕线系统的研究是系留无人机研究的重点工作之一。研究课题源于国家“十三五”核能开发项目，需要连接电缆为无人机提供电源以及通信，提高无人机的飞行时间和飞行负载，并具有一定的张力控制能力，提高系留无人机对外部干扰的稳定性。　　论文根据项目要求，对系留无人机进行了深入研究，进行了系留无人机的绕线装置的方案设计。研究了基于拉格朗日动力学方程的系留模型，分析外界的风速对系留模型稳定性的影响，通过对系留电缆的分析，总结了一种针对于不同额定电流的系留电缆选型方法，提出了一种位置估计方法，最后设计了一种用于系留的绕线装置，对其张力的控制进行研究，具有一定的理论价值和工程意义。　　首先分析了系留装置的功能，对系留绕线机进行了方案设计，采用拉格朗日动力学推导了系留模型，并针对于不同飞行阶段的多级定风速和不同变风速的情况进行稳定性分析，得到了用于系留电缆分析的风力参数。　　其次调研了现有的系留电缆，采用系留模型进行运动仿真，针对于不同额定电流和相同额定电流的系留电缆的选型分析，通过模型仿真，总结出了一种针对系留电缆的选型方法，即在不考虑电机电流的情况下，尽可能选取额定电流大的电缆，在额定电流相同时，优先考虑系留线缆重量轻的型号，其次选取系留电缆直径较大的型号。并提出了一种基于拉格朗日动力学方程式的相对位置估计方法　　最后完成系留无人机的绕线装置的实物实验和系留无人机位置估计实验。在绕线装置上进行了张力控制测试，表明了该绕线装置能够在一定范围内进行张力的控制，其次进行了系留无人机的位置估计实验，通过电缆的实物实验验证了位置估计方法是有效的。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 系留无人机国内研究现状

1.2.2 系留无人机国外研究现状

1.3 发展趋势

1.4 本文的主要研究内容及结构

2 系留绕线机方案设计

2.1 使用环境

2.2 绕线机方案设计

2.2.1 绕线机功能分析

2.2.2 电缆结构

2.2.3 卷筒结构尺寸设计

2.3 硬件设计

2.3.1 硬件选型

2.3.2 硬件平台搭建

2.4 软件设计

2.5 本章小结

3 系留模型仿真

3.1 三维空间中的系留模型

3.1.1 拉格朗日动力学模型

3.1.2 风速模型

3.2 多级定风速下系留模型的稳定性分析

3.2.1 多级风力参数确定

3.2.2 稳定性分析

3.3 变风速下系留模型的稳定性分析

3.3.1 变风速数据的获取

3.3.2 稳定性分析

3.4 本章小结

4 系留电缆分析

4.1 电缆参数确定

4.2 不同额定电流的电缆选型分析

4.3 同额定电流下电缆的选型分析

4.4 系留无人机相对位置估计方法

4.5 本章小结

5 实物实验

5.1 实物测试

5.1.1 绕线机张力控制实验

5.1.2 系留电缆的位置估计实验

5.2 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果