翼伞空投系统的动力学与飞行控制仿真

发布时间：2020-06-17 18:38

【摘要】：采用传统圆形降落伞进行回收具有落点不确定、散布分布大等缺点,而翼伞系统具备杰出的滑翔性能、较好的稳定性和可操纵性,在航空航天、军事和民用方面具备普遍而重要的运用。因此,对翼伞空投系统进行相关研究显得尤为重要。为了分析翼伞系统的动力学特性,对翼伞系统采用九自由度动力学建模进行计算,通过仿真得到翼伞系统的滑翔、雀降、转弯等基本运动特性,分析了翼伞安装角、空投物质量、空投物阻力特征等参数对翼伞系统飞行性能的影响,分析了风对翼伞系统的影响表现为沿风向产生偏移,偏移速度接近风速。之后针对翼伞系统定点着陆问题,采用分段归航法对归航轨迹进行设计,以提高落点精度和减少翼伞能量消耗为目标,将轨迹规划问题转变为参数寻优问题,根据翼伞初始高度的不同设计不同的归航方案,并考虑了不同的操纵方式对轨迹规划的影响。接下来针对翼伞系统归航轨迹跟踪控制问题,通过搭建PID控制系统,采用联合仿真的方法对翼伞归航轨迹进行跟踪控制,得到跟踪过程中翼伞速度变化规律、控制量变化规律以及轨迹跟踪曲线,并分析了有风条件对轨迹跟踪的影响。最后采用蒙特卡洛方法对翼伞落点进行仿真计算,考虑翼伞气动参数偏差、空投物质量偏差、风干扰等因素对落点的影响,大大减少了空投试验成本并为翼伞落点散布提供依据。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249.1;V212
【图文】：

统减速稳降至 5000m 高度，速度约为 30m/s 时翼伞从伞衣套中被拉出，以略小于 97.65pa动压充气，最终整个系统稳定飞行，以 5.64m/s 的垂直速度和 18.29m/s 的水平速度下降。 1.2(a)为 X-38 原型机采用翼伞进行回收。在军事领域，翼伞可应用于作战物资配送，作战部队的空降等，以美国 SSE 和先锋公司同研制的用于精确空投的制导控制系统，该系统在高性能翼伞上配备了由机载计算机、军 GPS 接收机和其它传感器组成的自动导航控制单元，可根据实时测量信息反馈执行控制指，完成定点精确空投[3]。该系统可以分为轻型、中型和重型三个型号，分别采用的翼伞面为 70m2、334m2和 683m2，可投放载荷重量分别为 400kg、3000kg 和 17t。图 1.2(b)为作战队进行空投演练。在民用领域，翼伞的应用主要分成不带动力翼伞和动力翼伞两种类型，其中不带动力翼主要用于滑翔伞运动，它的水平速度最高可达 16m/s，下降速度可低于 2m/s，可作长时间空或长途飞行，因此成为普及范围比较广的运动。动力翼伞是指带有推进装置的翼伞，具翼面可折叠、使用方便、起降距离短、易于操纵以及飞行成本低等优点，最早用于娱乐飞、航拍、散播广告、庆典表演等，也可用于地质勘探、野外救护、喷洒农药、森林播种等种作业。

示意图,翼伞,示意图,能量控制

归航的方法对轨迹进行规划，针对轨迹规划中的参了计算，通过仿真得到轨迹规划图和控制量变化图控制率空间并利用量子遗传算法对目标函数进行参线。蒋华晨等人[34]将翼伞系统看作质点建立三自由模，基于最优控制理论采用精确罚函数法进行参数立三自由度翼伞质点模型，考虑初值约束、终端约量消耗最小作为目标函数，采用高斯伪谱法对该多该方法具有较好地最优性和较高的精度。方法是近年来研究的热点，分段归航法通过将整个段采用不同的控制策略以实现精确归航。分段归航：目标进入阶段、能量控制段、目标着陆阶段。目控制段进入点位置的阶段，在这个阶段翼伞首先通指向能量控制段的进入点；能量控制段是指翼伞系曲线；目标着陆段是指翼伞系统达到雀降高度时，

【参考文献】