长航时无人机是指续航时间为十几小时、几天,乃至数月的无人驾驶空中飞行器。它非常适合用于完成现代高技术局部战争中情报侦察和监视等任务,以及民用领域的航拍和测绘任务。除了自身优异的机身性能和滑翔能力,长航时无人机可以通过太阳能、风梯度、上升气流等环境来获取额外额外能量以增长航时。我国幅员辽阔,地理地貌特征多样,各类气象资源丰富,对于上升气流的研究探索十分有利,同样也是基于上升气流能量获取的长航时无人机研究的优势条件。本文通过对上升气流的研究建模,结合无人机六自由度模型,研究了无人机在上升气流中的参数辨识和航迹优化问题,实现了无人机通过获取上升气流能量获取达到长航时要求。本文的主要研究内容概述如下:1.进行长航时无人机的总体设计。首先参考国外成功的滑翔无人机设计方案,结合实际完成机身气动布局设计、翼型选择以及操纵面布局,并进一步研究已有成熟机身部件,确定机身外形的几何参数;然后在专业的气动分析软件中按照设计好的飞行器外形参数建模,并进行气动力学分析,得到后续建模中需要的气动力学系数。2.建立无人机的六自由度仿真模型以及控制器设计。建立无人机运动方程组,描述无人机受到的力、力矩与无人机运动参数(加速度、速度、位置、姿态等)之间的方程组,具体需要包括动力学方程、运动学方程、几何关系方程等;在此基础上按照设计的机身结构和外形参数,搭建必要的模块子系统,完成无人机机身的六自由度仿真模型的搭建;在完整机身建模的基础上进行六自由度控制器的设计,先确定单独通道控制器的控制策略,再加入对姿态运动通道间惯性耦合特性的考虑,最终搭建完整的电动滑翔无人机控制器,和机身环节构成整机模型,并通过仿真验证控制器稳定性和精度。3.设计无人机对上升气流区域的参数辨识算法。首先介绍上升气流的分类、特征以及简化模型,并分析无人机在上升气流中的受力情况和能量获取;然后介绍无人机对气流强度的两种辨识方案并进行分析比较;最后详细介绍基于能量分析法的上升气流参数辨识算法,并通过仿真验证其辨识精度等指标。4.研究无人机基于已知上升气流区域参数情况下的航迹规划。首先设计了包含无人机能量实时计算、上升气流能量预估和任务航线能量预估的无人机能量评估系统,作为无人机航迹规划的指标。在此基础上,研究了无人机的航迹规划问题,设计了飞行任务区域无人机的航线规划方案,建立了接近上升气流区域无人机的人工势场航迹规划算法,同时计算了上升气流区域内无人机的获能盘旋航迹参数。