一种评估无人机制造外形气动偏差的方法与流程

本发明涉及一种评估无人机制造外形气动偏差的方法，属于航空飞行器中计算流体力学应用领域。

背景技术：

气动外形对于无人机起着至关重要的作用，它提供无人机飞行时所需的升力及飞行姿态的力矩平衡。无人机的气动外形是根据其任务剖面设计点确定设计的，如果其外形发生变化，特别是机翼、尾翼(或鸭翼)这些升力面的外形变化，轻则会影响无人机性能指标和飞行品质，重则影响飞行安全。然而在飞机制造过程中，外形加工不可避免地会出现误差和偏差，因此需要对所加工的外形进行检测验收，评估制造误差对无人机气动特性及飞行性能的影响，以保证无人机满足性能指标和飞行安全。

飞机制造结构验收常用的方法是测量翼面及机身的关键尺寸、相对位置、安装角度等。此方法的缺点是不能准确地、全面地检测飞机外形制造的几何偏差，比如机翼翼型偏差、翼面上的凸凹变形等，也不能定量地评估制造误差对飞机气动性能的影响。无人机制造外形存在气动偏差时，无人机飞行的预设飞控程序可能会出现控制偏差，需要通过飞行数据来反推无人机气动数据的偏差来对飞控程序进行补偿修正，然后再进行飞行验证。这样会增加无人机试飞成本，严重的气动偏差甚至可能造成飞行安全。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种评估无人机制造外形气动偏差的方法，实现定量地评估制造误差对飞机气动性能的影响。

本发明的技术解决方案是：一种评估无人机制造外形气动偏差的方法，步骤如下：

第一步，完成两个部分的内容：一是根据无人机的理论外形结合风洞试验数据，根据对无人机理论进行CFD计算得到的气动数据与风洞试验数据的吻合度，确定最终适合无人机理论外形的CFD计算方法；二是根据无人机的制造外形获得其点云数据，进而进行逆向建模得三维模型；

第二步，将无人机理论外形与上述三维模型进行偏差统计，得到二者的几何偏差数值分布；并对上述得到的三维模型利用上述确定的CFD计算方法进行计算，得到制造外形的气动数据；

第三步，根据制造外形和理论外形CFD计算的气动数据，对比无人机气动偏差；若气动数据偏离在预设的范围内，则该无人机制造外形满足要求；否则，认定该无人机制造外形存在气动偏差。

进一步的，第三步中当认定该无人机制造外形存在气动偏差时，将制造外形的CFD计算气动数据导入飞控仿真机进行飞行仿真。

进一步的，若偏差的气动数据通过飞控程序的补偿修正能满足飞行要求，则认定无人机制造外形可接受；否则，按照第二步中的无人机几何偏差进行返厂修改。

进一步的，采用数字摄影三维测量系统对无人机制造外形进行测量，获得的点云数据。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)结合数字摄影三维测量和CFD(计算流体动力学)技术既能直观地把握无人机全机的几何偏差，又能定量地评估无人机制造外形气动偏差。

(2)可为存在气动偏差的无人机制造外形提供指导意见，即飞控补偿或返厂修改；既提高效率，又避免因气动偏差造成的无人机飞行安全的风险。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2是无人机制造外形与理论外形偏差；

图3是无人机制造外形与理论外形截面对比；

图4是无人机制造外形与理论外形气动数据对比。

具体实施方式

本发明以某无人机为例，提供一种评估无人机制造外形气动偏差的方法，此方法步骤如图1所示。

(1)将制造出的待测无人机水平地放置在地面上，采用精度小于0.1毫米的数字摄影三维测量仪扫描测量得到无人机的点云数据；在三维建模软件中，根据点云数据进行逆向建模，获得无人机制造外形的三维模型；以机头为参考点，将无人机的逆建模模型与理论模型的坐标系重合，对比两种模型的重合度，统计逆建模模型与理论模型几何偏差分布，如图2所示，由于影响无人机气动性能主要是翼面(机身的变化只是对阻力会有一定得影响)，在此本文仅就无人机机翼，鸭翼及垂尾进行对比(但不限于此)；并可截取无人机的截面形状进行对比，如图3所示。

(2)对步骤(1)中的无人机理论外形进行CFD网格划分，通过CFD计算可以得到六自由度分量气动力(升力，阻力、侧力、俯仰力矩、滚转力矩、偏航力矩)，跟无人机理论外形的风洞试验数据进行对比，可以通过调整网格(如网格数量、局部网格加密及附面层网格尺寸等)及计算方法设置(如湍流模型，离散格式及边界条件等)得到与试验数据相吻合的气动数据的CFD计算方法。

当然上述两个步骤可以并行执行，没有一个严格的先后的顺序。

(3)将无人机逆建模三维模型导入步骤(2)中CFD网格替换无人机理论外形，将网格进行微调适配；导出无人机逆建模模型的划分网格，采用步骤(2)中所确定的CFD计算方法进行计算，得到无人机制造外形的气动数据。

(4)对比步骤(2)得到的无人机理论外形气动数据和步骤(3)中无人机制造外形的气动数据；图4为无人机一系列攻角的升力系数、俯仰力矩系数、升阻比对比(但不限于此)；若气动数据偏离在预设的范围内，则该无人机制造外形满足要求；否则，认定该无人机制造外形存在气动偏差。

(5)将步骤(4)中存在气动偏差的CFD计算气动数据导入飞控仿真机进行飞行仿真，评估无人机起飞距离，爬升率，姿态配平，操稳特性等；若偏差的气动数据能通过飞控程序的补偿修正能满足飞行要求，则认定无人机制造外形可接受；否则，应依据照步骤(1)中的无人机几何偏差进行返厂修改；如果无人机升力系数偏小，须重点对比机翼制造偏差(如机翼安装角，扭转角，不同截面翼型的偏差)进行修形；若无人机纵向配平攻角及舵效存在偏差，须重点对比平尾(或鸭翼)安装角及距重心力臂的偏差进行修形。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。