请设计一个无人机气动力学例程及源程序

时间: 2023-09-25 11:10:07 浏览: 54
以下是一个简单的无人机气动力学例程及源程序,使用Python编写: ## 无人机气动力学例程 import numpy as np from scipy.integrate import odeint ## 无人机参数 mass = 1.0 # kg Ixx = 0.05 # kg-m^2 Iyy = 0.05 # kg-m^2 Izz = 0.1 # kg-m^2 S = 0.25 # m^2 b = 1.0 # m c = 0.25 # m AR = b**2 / S e = 0.9 CD0 = 0.05 k = 0.1 CLa = 2*np.pi*AR / (2 + np.sqrt(4 + (AR*0.01)**2 * (1 + np.tan(np.radians(5))**2))) Cma = -0.05 alpha0 = np.radians(-2) rho = 1.225 # kg/m^3 g = 9.81 # m/s^2 ## 控制输入 def control_input(t): if t < 10.0: delta_e = np.radians(2) delta_t = 0.5 else: delta_e = np.radians(0) delta_t = 0.5 return delta_e, delta_t ## 状态方程 def state_equations(state, t, delta_e, delta_t): u, v, w, p, q, r, phi, theta, psi, x, y, z = state alpha = np.arctan2(w, u) beta = np.arcsin(v / np.sqrt(u**2 + v**2 + w**2)) qbar = 0.5 * rho * np.sqrt(u**2 + v**2 + w**2)**2 CL = CLa * (alpha - alpha0) CD = CD0 + k*CL**2 L = CL*qbar*S D = CD*qbar*S T = delta_t*mass*g fx = T*np.cos(alpha)*np.cos(beta) - D*np.sin(beta) + L*np.cos(beta)*np.sin(alpha) fy = T*np.sin(beta) + D*np.cos(beta) + L*np.sin(beta) fz = -T*np.sin(alpha)*np.cos(beta) - D*np.cos(beta)*np.sin(alpha) - L*np.cos(alpha)*np.cos(beta) m = qbar*S*c*Cma + delta_e*qbar*S*c*(CLa*(alpha - alpha0) - Cma) u_dot = r*v - q*w - g*np.sin(theta) + fx/mass v_dot = p*w - r*u + g*np.sin(phi)*np.cos(theta) + fy/mass w_dot = q*u - p*v + g*np.cos(phi)*np.cos(theta) + fz/mass p_dot = (Iyy - Izz)*q*r/Ixx + m/Ixx q_dot = (Izz - Ixx)*p*r/Iyy + (delta_e*qbar*S*c/Iyy)*CLa r_dot = (Ixx - Iyy)*p*q/Izz + (delta_e*qbar*S*c/Izz)*Cma phi_dot = p + np.tan(theta)*(q*np.sin(phi) + r*np.cos(phi)) theta_dot = q*np.cos(phi) - r*np.sin(phi) psi_dot = (q*np.sin(phi) + r*np.cos(phi))/np.cos(theta) x_dot = u*np.cos(theta)*np.cos(psi) + v*(np.cos(theta)*np.sin(psi))*w*np.sin(theta) y_dot = u*np.sin(psi) - v*np.cos(psi) z_dot = u*np.sin(theta)*np.cos(psi) + v*(np.sin(theta)*np.sin(psi))*w*np.cos(theta) return u_dot, v_dot, w_dot, p_dot, q_dot, r_dot, phi_dot, theta_dot, psi_dot, x_dot, y_dot, z_dot ## 初始状态 state0 = [10.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, np.radians(0), np.radians(5), np.radians(0), 0.0, 0.0, 100.0] ## 时间范围 t = np.linspace(0, 30, 1000) ## 解ODE方程 delta_e_array, delta_t_array = [], [] for i in range(len(t)): delta_e, delta_t = control_input(t[i]) delta_e_array.append(delta_e) delta_t_array.append(delta_t) state = odeint(state_equations, state0, [t[i-1], t[i]], args=(delta_e, delta_t)) state0 = state[1] ## 绘制图形 import matplotlib.pyplot as plt plt.subplot(3, 2, 1) plt.plot(t, [np.degrees(alpha) for alpha in state[:, 7]]) plt.xlabel('Time (s)') plt.ylabel('Angle of Attack (deg)') plt.grid(True) plt.subplot(3, 2, 2) plt.plot(t, [np.degrees(beta) for beta in state[:, 8]]) plt.xlabel('Time (s)') plt.ylabel('Sideslip Angle (deg)') plt.grid(True) plt.subplot(3, 2, 3) plt.plot(t, [np.degrees(state[:, 6]) for psi in state[:, 6]]) plt.xlabel('Time (s)') plt.ylabel('Roll Angle (deg)') plt.grid(True) plt.subplot(3, 2, 4) plt.plot(t, [np.degrees(state[:, 7]) for theta in state[:, 7]]) plt.xlabel('Time (s)') plt.ylabel('Pitch Angle (deg)') plt.grid(True) plt.subplot(3, 2, 5) plt.plot(t, [np.degrees(state[:, 8]) for phi in state[:, 8]]) plt.xlabel('Time (s)') plt.ylabel('Yaw Angle (deg)') plt.grid(True) plt.subplot(3, 2, 6) plt.plot(state[:, 9], state[:, 11]) plt.xlabel('x (m)') plt.ylabel('z (m)') plt.grid(True) plt.show() 这个例程模拟了一个无人机的气动力学行为,包括滚转、俯仰、偏航和位置控制。它使用了一些基本的飞行动力学公式,例如Lift和Drag系数、气动力等。在这个例程中,我们使用ODEINT函数求解微分方程,并绘制了无人机的各种状态随时间的变化。

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