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翼伞飞行运动建模与翼伞空投控制技术研究

作　者: 郑成
导　师: 吴庆宪
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 翼伞建模运动特性航迹规划遗传算法航迹跟踪模糊自适应模糊滑模三维仿真
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

翼伞系统的高滑翔特性和可控特性,使得翼伞系统已成为空投领域研究的热点。目前国内对翼伞的研究与国外相比还有很大差距。本文采用理论分析与数值仿真相结合的方法,对翼伞空投系统动力学、轨迹规划和跟踪问题进行了比较深入的研究。本文建立了翼伞系统六自由度非线性数学模型和Simulink下的飞行运动仿真模型,着重分析了翼伞系统的基本运动特性,以及主要设计参数对系统性能的影响,对研究翼伞空投系统的工作过程和控制技术提供了理论依据。为了实现翼伞系统的准确、安全着陆,根据翼伞系统自身的可操纵性和基本运动特性,本文对翼伞系统的归航策略作了深入研究,并设计了翼伞空投系统的分段归航轨迹。利用各段轨迹的几何关系将轨迹优化问题转化为参数优化问题,并对基本遗传算法进行了改进,运用新的改进自适应遗传算法(IAGA)进行了有效的求解,提高了收敛速度,避免了“早熟”现象。本文分别采用了两种方法对翼伞空投系统的控制技术进行了研究。一种方法是根据翼伞系统线性时不变的误差方程,直接进行轨迹控制器的设计,本文基于这种思想设计了模糊自适应PID控制器。另一种方法是采用传统飞行器轨迹控制设计方法,将整个控制器分为姿态稳定内回路和质心运动外回路,本文采用模糊滑模控制的方法对姿态稳定内回路做了深入研究。最后,在VC++的编程环境下,结合开放性图形开发库OpenGL和三维模型制作工具MilkShape 3D,开发了翼伞空投系统的三维视景软件。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-12
第一章绪论  12-21
  1.1 课题研究的背景和意义  12-13
  1.2 翼伞空投系统的国内外研究进展  13-19
    1.2.1 翼伞的发展历史  13-15
    1.2.2 翼伞系统的导航、制导与控制  15-18
    1.2.3 国内外研究进展  18-19
  1.3 本文的主要思想和研究内容  19-20
  1.4 本文的创新点  20-21
第二章翼伞飞行运动建模  21-36
  2.1 翼伞六自由度数学模型  21-25
    2.1.1 翼伞的几何结构和参数  21-22
    2.1.2 翼伞的附加质量  22-23
    2.1.3 基本假设  23
    2.1.4 坐标系定义  23-24
    2.1.5 翼伞系统的运动方程  24-25
  2.2 翼伞运动方程的线性化  25-27
    2.2.1 运动方程的解耦  25-26
    2.2.2 运动方程的线性化  26-27
  2.3 翼伞系统六自由度仿真模型  27-30
    2.3.1 气动模块的建立  27-29
    2.3.2 翼伞飞行运动仿真平台的建立  29-30
  2.4 运动特性分析  30-35
    2.4.1 翼伞系统的基本运动状态  30-33
    2.4.2 风对翼伞系统运动的影响  33-34
    2.4.3 安装角对系统性能的影响  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章翼伞系统自动归航轨迹的设计  36-46
  3.1 翼伞系统的分段归航  36-38
    3.1.1 基本归航轨迹  36-37
    3.1.2 轨迹规划的原则  37
    3.1.3 分段归航方案的选择  37-38
  3.2 归航轨迹的设计和优化  38-43
    3.2.1 解前分析和处理  38-39
    3.2.2 轨迹的计算  39-42
    3.2.3 轨迹的优化及算法的实现  42-43
  3.3 试验结果与分析  43-45
  3.4 本章小结  45-46
第四章翼伞空投控制技术研究  46-62
  4.1 设计思想与理论基础  46
  4.2 航迹跟踪控制  46-49
    4.2.1 误差方程的推导  46-48
    4.2.2 航迹跟踪控制器的设计  48-49
  4.3 航迹跟踪仿真计算与结果分析  49-51
    4.3.1 无风时的仿真结果  49-50
    4.3.2 有风时的仿真结果  50-51
  4.4 其它空投控制技术  51-59
    4.4.1 姿态控制内回路  51-55
    4.4.2 仿真验证  55-57
    4.4.3 质心运动外回路  57-59
  4.5 翼伞的着陆  59-61
    4.5.1 着陆缓冲装置和脱离装置  59-60
    4.5.2 翼伞的雀降技术  60-61
  4.6 本章小结  61-62
第五章翼伞空投三维软件系统开发研究  62-74
  5.1 可视化仿真技术介绍  62-64
    5.1.1 OpenGL 简介  62
    5.1.2 MilkShape 3D 简介  62-63
    5.1.3 Visual C++简介  63-64
  5.2 三维视景软件开发  64-65
  5.3 各部分的具体实现  65-69
    5.3.1 翼伞系统3D 模型的建立  65
    5.3.2 空投环境的建立  65-66
    5.3.3 降落伞模型的导入  66-68
    5.3.4 翼伞运动模型  68
    5.3.5 实时数据显示  68-69
    5.3.6 视角变换  69
  5.4 系统功能演示  69-73
    5.4.1 相关界面  69-71
    5.4.2 飞行过程演示  71-72
    5.4.3 视点切换  72-73
  5.5 本章小结  73-74
第六章总结与展望  74-76
  6.1 本文的主要贡献  74
  6.2 不足之处与今后研究展望  74-76
参考文献  76-79
致谢  79-80
在学期间的研究成果及发表的学术论文  80

翼伞飞行运动建模与翼伞空投控制技术研究

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