【摘 要】
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系留无人机系统（UAV）具有结构简单、续航时间长、稳定通讯等优点,被广泛应用在应急通讯、高机位直播、环境监测等领域,得到了很好的经济效益。船载系留无人机系统在工作时不仅会受到外界风场的作用还会受到船舶运动的影响,系缆与无人机组成的系统会有丰富的运动形式,如船舶运动时系缆发生的松弛-张紧现象等。因此,对系留无人机的动力学规律进行研究在无人机的设计与安全运行方面就显得很有意义。本文采用集中质量法建立了
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系留无人机系统（UAV）具有结构简单、续航时间长、稳定通讯等优点,被广泛应用在应急通讯、高机位直播、环境监测等领域,得到了很好的经济效益。船载系留无人机系统在工作时不仅会受到外界风场的作用还会受到船舶运动的影响,系缆与无人机组成的系统会有丰富的运动形式,如船舶运动时系缆发生的松弛-张紧现象等。因此,对系留无人机的动力学规律进行研究在无人机的设计与安全运行方面就显得很有意义。本文采用集中质量法建立了船载系留无人机系统的数学模型,研究了周期风场和离散突风风场作用下系统的运动特性和系缆内部张力的变化规律;研究了船舶运动幅值较大时,系缆中的松弛-张紧现象;进行了系缆底端激励下无人机的实际飞行实验。具体的研究内容可以分为以下几个部分:（1）采用集中质量法对系留无人机系统系缆进行了离散化处理,建立了系留无人机系统的三维数学模型。采用牛顿迭代法对系留无人机系统静态构型及张力进行了求解,为后续对系统动态特性研究奠定了基础;（2）采用Howbolt差分格式对系统运动方程进行迭代求解。系统初始条件为系缆静态构型及张力,下端点边界为船舶,上端点边界为无人机。研究了周期风场和离散突风风场作用下无人机与系缆的运动特性、系缆内部张力特性并给出了系缆在不同工况下的伸长率曲线。研究发现风场幅值越大系缆内部张力越大系统运动范围也越大;不同周期风场周期作用时系缆运动幅值在水平、竖直方向会出现不同的分布形式,无人机的运动范围随着周期风场周期的增大而逐渐减小;（3）将船舶的运动简化为正弦形式的运动,研究了系留无人机系统在船舶运动下系缆的松弛-张紧现象。给出了不同激励幅值、激励频率下系缆出现松弛-张紧段数的变化规律,并求出了发生松弛-张紧现象时系缆底端张力冲击放大系数的值。最后总结出了系缆发生松弛-张紧现象的参数域;（4）利用已有的系留无人机系统的实验模型,进行了风场作用时,系缆底端不同激励幅值、激励频率下,其上、下端点拉力的实验研究。得到以下结论:系缆下端点具有正弦激励时其上、下端点张力也按照正弦规律变化;激励幅值越大系缆上、下端点拉力也越大;底端激励时系缆上、下端点拉力会出现倍频形式的分量;将实验结果与第四章理论计算进行对比,定性验证了理论计算的正确性。
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