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空投任务下翼伞建模与飞行控制研究

作　者: 谢亚荣
导　师: 吴庆宪
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 空投系统翼伞飞行控制系统非线性动态逆模糊干扰观测器非线性预测控制航迹规划三维视景仿真
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 144次
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内容摘要

翼伞系统可用于精确空投和“定点无损”着陆,在军事、航空航天等领域有着广泛的应用前景。目前翼伞系统已成为空投和回收领域研究的热点。本文围绕空投任务下的翼伞空投系统建模、姿态控制、归航控制、航迹规划以及三维动画视景仿真这几个方面展开研究工作:首先,将翼伞和空投物看作刚性连接的整体,忽略空投物与伞体之间的相对运动,对完全张满后的可控翼伞系统建立了六自由度运动模型,并在所建模型的基础上进行了运动特性的仿真分析。其次,利用非线性动态逆控制方法实现翼伞姿态控制系统的设计,考虑到系统建模误差和外界干扰等不确定因素对控制器性能的影响,引入模糊干扰观测器对翼伞飞行过程中所受复合干扰进行逼近和控制,提高整个闭环系统的控制性能。随后,研究了翼伞系统的归航控制,介绍和比较了目前翼伞归航控制的方法,选取分段归航作为本文中翼伞系统归航的方式。在Gockel对翼伞归航设计的基础上,采用内环姿态控制律和外环制导系统设计思路,运用基于模糊干扰观测器的非线性预测控制方法对翼伞归航轨迹进行跟踪控制。实验仿真表明,在存在外界干扰和建模误差的情况下,该控制策略具有良好的鲁棒性和抗干扰性。接着,研究了翼伞系统的航迹规划问题,对地形威胁和火力威胁进行了建模,结合翼伞飞行特性,引入最小威胁曲面生成三维航迹搜索空间,并利用粒子群算法搜索优化翼伞系统的航迹。仿真结果表明,利用粒子群算法规划出的航迹能够躲避威胁,满足航程和高度的要求。最后,进行了基于OpenGL空投系统的三维动画视景仿真,比较生动地演示了空投系统着陆的过程。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
图表清单  10-13
注释表  13-14
第一章绪论  14-20
  1.1 课题研究的背景、目的和意义  14-15
  1.2 空投系统研究现状  15-16
  1.3 翼伞系统动力学研究现状  16-17
  1.4 翼伞归航技术研究现状  17-18
  1.5 翼伞控制技术的发展  18-19
  1.6 课题的主要研究内容  19
  1.7 本章小结  19-20
第二章翼伞系统飞行建模及其运动特性研究  20-33
  2.1 引言  20
  2.2 空投系统中翼伞运动过程  20-21
  2.3 翼伞的飞行原理与操纵  21-22
  2.4 翼伞的附加质量  22-23
    2.4.1 附加质量的概念  22-23
    2.4.2 附加质量的确定方法  23
  2.5 翼伞系统的非线性数学模型  23-28
    2.5.1 翼伞系统的结构参数  23-24
    2.5.2 基本假设  24-25
    2.5.3 坐标系定义  25-26
    2.5.4 翼伞系统所受的力和力矩  26-27
    2.5.5 六自由度数学模型  27-28
  2.6 翼伞系统的运动状态分析  28-32
  2.7 本章小结  32-33
第三章基于模糊干扰观测器动态逆方法的翼伞姿态飞行控制  33-46
  3.1 引言  33
  3.2 基于动态逆方法的翼伞姿态控制  33-39
    3.2.1 动态逆方法简介  33
    3.2.2 时标分离简介  33-34
    3.2.3 翼伞系统的快、慢状态的控制律设计  34-37
    3.2.4 动态逆控制器的改进  37-38
    3.2.5 仿真验证  38-39
  3.3 基于模糊干扰观测器的动态逆控制器设计  39-45
    3.3.1 模糊干扰观测器的设计  40-42
    3.3.2 基于模糊干扰观测器的翼伞控制系统设计  42-43
    3.3.3 仿真结果分析  43-45
  3.4 本章小结  45-46
第四章翼伞系统归航控制研究  46-61
  4.1 引言  46
  4.2 风场的分析与建模  46-47
    4.2.1 风场的分析  46
    4.2.2 风场模型的建立  46-47
  4.3 翼伞飞行可行域的讨论  47-48
  4.4 现有的几种翼伞飞行控制方法的比较  48-50
    4.4.1 具有盲角的非比例控制方法  48-49
    4.4.2 基于最优控制的归航控制方法  49
    4.4.3 锥形归航控制方法  49-50
    4.4.4 分段归航控制方法  50
  4.5 翼伞分段归航控制  50-57
    4.5.1 翼伞归航的轨迹  51
    4.5.2 非线性预测控制  51-55
    4.5.3 翼伞归航轨迹跟踪控制器设计  55-57
  4.6 仿真结果分析  57-60
  4.7 本章小结  60-61
第五章基于粒子群算法的翼伞系统航迹规划研究  61-71
  5.1 引言  61
  5.2 航迹规划的研究方法  61-64
    5.2.1 搜索方法  61-62
    5.2.2 威胁建模  62-63
    5.2.3 代价函数  63-64
  5.3 基于威胁曲面的粒子群算法航迹规划  64-68
    5.3.1 最小威胁面  64
    5.3.2 粒子群算法中的翼伞数学模型  64-65
    5.3.3 粒子群优化算法  65-68
      5.3.3.1 粒子群优化算法原理  65-66
      5.3.3.2 粒子编码方式  66-67
      5.3.3.3 参数选择的分析  67
      5.3.3.4 基本粒子群优化算法实现步骤  67-68
  5.4 仿真验证  68-70
  5.5 本章小结  70-71
第六章空投系统的三维视景仿真  71-84
  6.1 引言  71
  6.2 可视化仿真技术介绍  71-72
    6.2.1 OpenGL 简介  71
    6.2.2 MilkShape 简介  71
    6.2.3 VC 调用MATLAB 引擎  71-72
    6.2.4 MFC 简介  72
  6.3 空投动画仿真关键技术应用  72-73
  6.4 空投系统三维动画仿真模块  73-77
    6.4.1 空投三维背景的建立  73-74
    6.4.2 降落伞3D 模型的建立  74-75
    6.4.3 空投过程三维动画实现  75
    6.4.4 空投过程数据实时显示  75-76
    6.4.5 空投动画的视角变换  76-77
  6.5 空投系统仿真软件用户交互模块  77-78
    6.5.1 空投参数设置  77
    6.5.2 与空投过程数据分析模块的交换  77-78
  6.6 空投过程数据分析模块  78-79
    6.6.1 空投过程数据的保存  78
    6.6.2 调用 MATLAB 引擎  78-79
    6.6.3 对空投过程的曲线分析  79
  6.7 降落伞飞行演示图以及曲线分析  79-83
  6.8 本章小结  83-84
第七章总结与展望  84-86
  7.1 本文的主要贡献与创新点  84
  7.2 不足之处与进一步研究展望  84-86
参考文献  86-90
致谢  90-91
在学期间的研究成果及发表的学术论文  91

空投任务下翼伞建模与飞行控制研究

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