翼伞系统动力学与归航方案研究

【摘要】： 翼伞系统可用于实现精确空投和“定点无损”着陆,在军事、航空航天等领域有着广阔的应用前景。目前翼伞系统已成为空投和回收领域研究的热点,但理论研究的水平还远不能满足工程应用的需求。国内对翼伞的研究与国外相比还有很大差距。本文以“实现翼伞系统自主、准确归航”为中心,采用理论分析与数值仿真相结合的方法,对翼伞系统动力学、航迹规划和跟踪控制问题进行了比较系统深入的研究,得到了若干有意义的结论。 分别建立六自由度刚性连接模型、八自由度刚性铰接模型和十二自由度非刚性连接模型,着重分析了系统的基本运动特性、回收物-伞体间的相对运动特性,以及主要设计参数对系统性能的影响;并将不同复杂程度的模型进行对比,分析了各种模型的特点和适用范围。这些研究工作对翼伞系统的设计、工作过程的分析等提供了参考和理论依据。 利用最优控制原理对翼伞系统的归航问题进行了研究,并对其特点进行了分析和总结。在最优控制的求解中,提出了向风坐标系转化、无量纲化等解前分析的思想,简化了计算,方便了加权因子的选择,使目标点可达与不可达的翼伞系统归航轨迹最优控制问题得到了统一的求解。 提出了翼伞系统归航轨迹的分段设计方案,按高度冗余、高度适中和欠高度三种情况给出了不同的归航轨迹分段设计方法,并且探讨了对应的判断准则。在对分段归航轨迹的优化中,提出了改进自适应遗传算法,该算法通过增加“强化”算子、改进对种群“早熟”程度评价指标等,有效地提高了收敛速度、避免了“早熟”现象。分段归航充分利用了翼伞系统稳定滑翔和转弯运动的飞行特性,操纵过程简单,工程上也易实现。 基于Frenet坐标系推导和建立了翼伞系统线性时不变的误差方程,并运用“投影点”的思想来获得Frenet坐标系下偏差量的解析近似表达式,从而设计了用于翼伞系统航迹跟踪的传统PD控制器和增益调节型模糊PD控制器。同时,基于翼伞系统基本运动特性,提出了一系列有针对性的控制策略,其中重要的一条是,将平均风的影响在轨迹归航中修正,而大气紊流的影响作为干扰由控制器来补偿。仿真结果表明,建立的控制器和控制策略是可行的,两者结合能有效地提高翼伞系统的抗风性能和着陆精度。 本文的工作可为翼伞系统的设计、分析,以及相关问题研究提供参考。