[[alternative]]Optimal design for unmanned aerial vehicles

碩士[[abstract]]淡江大學UAV 實驗室每年都會參加無人飛機設計比賽，如何設計一架 完美的無人飛機成為本論文研究的目標。吾人以MATLAB 開發出此套軟體， 名為"UAV Designer"。軟體運作以機翼參考面積和巡航速度當作設計參數， 此倆參數經由DATCOM 計算出對應下之空氣動力係數，並儲存為資料庫； 由基因演算法則隨機從資料庫中挑選最佳氣動力外形配置與巡航速度，以此 結果建立運動方程式加以分析，判定該載具的穩定性。 吾人利用本軟體設計出串翼機ORION 與太陽能無人載具YueZhuo+。串 翼機之機翼參考面積為 0.6m2、巡航速度為14m/ s；太陽能無人載具之機翼 參考面積為3.28 2 m 、巡航速度為 8.6m/ s。上述之 ORION 已於今年 3 月參 賽，並榮獲佳績。 此軟體不僅可設計上述機種，現今的無人飛行載具設計皆可採用。[[abstract]]Tamkang University UAV lab will participate UAV Design Competition every year, how to design the perfect UAV became this paper research target. I used Matlab to develop this kind of software and named "UAV Designer". The software used wing reference area and cruising speed as design parameters to be operated, these two parameters through DATCOM calculated correspond aerodynamic coefficient and storage database;Genetic algorithm will randomly select aerodynamic configuration and cruising speed, and used the above result to construct equation of motion be analysed. I taked advantage of this software design ORION Tandem Wing and YueZhou Solar-powered Unmanned Aerial Vehicle. The ORION Tandem Wing’s wing reference is 0.6 m2,cruising speed is 14 m/s;YueZhou+’s wing reference 3.28 m2,cruising speed is 8.6 m/s. The ORION had participated contest and win awards on this year. The "UAV Designer" software could not only design the above airplane type but also all kinds of UAV.[[tableofcontents]]目錄I 表目錄IV 圖目錄V 第一章緒論1 1.1研究動機與目的1 1.2研究方法與架構2 第二章氣動概述5 2.1流體靜力學和大氣壓力的分佈5 2.2翼剖面在不可壓縮流分析10 2.2.1翼剖面座標與介紹10 2.2.2薄翼理論(Thin Airfoil Theory)12 第三章縱向靜穩定與平衡18 3.1傳統型定翼機18 3.1.2小角度近似21 3.1.3定翼機的安置角23 3.2估算尾翼下洗流角度26 3.4串翼機的簡化俯仰穩定性分析42 3.4.1串翼機力與力矩方程式43 3.4.2小角度近似46 3.4.3俯仰穩定性與中性點49 3.4.4串翼機安置角54 第四章橫向靜穩定與平衡63 4.1偏航穩定63 4.2滾轉穩定65 第五章性能分析67 5.1最低功率需求下的巡航速度67 5.2最低推力需求下的巡航速度70 第六章基因演算法72 6.1基因演算法則72 6.2參數設定74 6.3目標函式與限制條件設計79 6.4適應函數設計81 6.5基因運算子90 6.5.1選擇與複製90 6.5.2交配93 6.5.3突變95 6.6終止條件97 第七章載具的運動方程式99 7.1無因次靜穩定導係數99 7.2DATCOM 100 7.3運動方程式104 第八章結論與未來展望112 參考文獻114 附錄A UAV DESIGNER VER 1.3.4 116 附錄 B 139 附錄 C 143 附錄 D 147 附錄 E 149 表目錄 表2.1.1 標準大氣的溫度梯度在每個重力位能高度範圍7 表6.2.1 MATLAB與C++染色體的創造76 表6.2.2 MATLAB與C++染色體的解碼77 表6.4.1 MATLAB與C++染色體的適應函82 表6.4.2 適應函數的範例84 表6.4.3 目標函數(6.4.6)式87 表6.4.4 各物種所獲的期望值88 表6.5.1 MATLAB與C++的輪盤式選擇法函式91 表6.5.2 MATLAB與C++的字罩交配函式94 表6.5.3 MATLAB與C++的均勻突變函式96 圖目錄 圖1.2.1 概念架構4 圖2.1.1 大氣層溫度依高度分佈圖(左圖)與壓力依高度分佈圖(右圖)8 圖2.1.2 標準大氣的程式流程9 圖3.1.1 傳統型定翼機19 圖3.1.2 YueZhuo+ 24 圖3.2.1 Prandtl 的模型26 圖3.2.2 翼尖渦強因子， kv 32 圖3.2.3 翼尖渦展因子， kb 33 圖3.2.4 尾翼位置因子， kp 33 圖3.2.5 主翼後掠因子， ks 36 圖3.2.6 太陽能無人飛行載具YueZhuo+ 37 圖3.2.7 無人飛行載具ORION TD 40 39 圖3.2.8 上洗流是由主翼產生，將做標定在主翼的空氣動力中 40 圖3.2.9 下洗流是由前翼產生，將做標定在前翼的空氣動力中 40 圖3.4.1 作用在串翼機的力與力矩 43 圖3.4.2 在特殊情況下的串翼機幾何位置配置 46 圖3.4.3 中性點與全機的幾何示意圖 50 圖3.4.4 在特殊情況下的中性點與全機的幾何示意圖 52 圖3.4.5 串翼機的上洗流與下洗流 55 圖3.4.6 2D圖解法 56 圖3.4.7 3D圖解法 57 圖3.4.8 串翼機三視圖 58 圖3.4.9 ORION TD 40 62 圖4.1.1 推進器在載具X-Z 平面配置位置 64 圖4.2.1 上返角因子 65 圖4.2.2 高翼(high wing)與低翼(low wing)66 圖6.1.1 遺傳算法的流程圖 73 圖6.2.1 二進位轉十進位 78 圖6.4.1 各個物種所獲的期望值 88 圖6.4.2 f(x)在[-10,10]之間對應圖 89 圖6.5.1 單點式交配示意圖 93 圖6.5.2 兩點式交配示意圖 94 圖7.1.1 縱向靜穩定導係數 99 圖7.1.2 橫向靜穩定導係數 100 圖7.2.1 DATCOM 軟體利用Aerospace Toolbox與MATLAB結合流程圖 101 圖7.2.2 MATLAB自動產生DATCOM所需的INP檔片段範例 103 圖7.2.3 執行應用程式或執行Microsoft WindowsR下的應用程式 103 圖7.2.4 Aerospace Toolbox中的datcomimport函式應用範例 104 圖A.1 前置作業 117 圖A.2 選擇設計的工具 118 圖A.3 UAV Designer 118 圖A.4 Wing-Tail圖形介面視窗範例 119 圖A.5 Wing-Tail圖形介面視窗範例(左上角)120 圖A.6 Wing-Tail圖形介面視窗範例(垂直尾翼planform設計) 121 圖A.7 Wing-Tail圖形介面視窗範例(垂直尾翼airfoil設計)122 圖A.8 Wing-Tail圖形介面視窗範例(右半邊) 123 圖A.9 Wing-Tail圖形介面視窗範例(邊界參數設定)123 圖A.10 Wing-Tail圖形介面視窗範例(左下角) 124 圖A.11 Wing-Tail圖形介面視窗範例(機身設計) 125 圖A.12 其它參數機身何外型的圖形介面視窗範例 127 圖A.13 Wing-Tail圖形介面視窗範例(質量參數化) 128 圖A.14 圖形介面視窗功能表範例 129 圖A.15 發動機與螺旋槳的設計範例 130 圖A.16 發動機安置位置和其他參數 131 圖A.17 控制面的設計 132 圖A.18 網格3D瀏覽器(Wing-Tail範例) 133 圖A.19 3D瀏覽器(串翼機範例) 134 圖A.20 基因演算法運作範例 135 圖A.21 System Modeling and System Analysis界面 137 圖A.22 Export後的界面 137 圖A.23 Simulink 138[[note]]學號: 601430092, 學年度: 10