翼傘自主歸航雀降階段控制方法研究

《翼傘自主歸航雀降階段控制方法研究》是依託南開大學，由孫青林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：翼傘自主歸航雀降階段控制方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孫青林
• 依託單位：南開大學

中文摘要

本項目將重點研究翼傘自主歸航中雀降階段存在的控制問題，以最終實現可控雀降，提高著陸精度，減小著陸時水平速度為最佳化目標，從以下幾方面研究翼傘雀降過程非線性控制的幾個關鍵問題。動力學特性研究方面：充分考慮翼面氣流分離和翼傘的柔性效應，結合翼傘結構套用有限元分析，採用曲面渦格法對氣動力進行分析，建立精確反映大攻角工況的翼傘柔性非線性動力學模型。解決迎風降落方面：提出基於改進的矢量三角形法進行風向線上辨識，基於支持向量機預測風向，以實現迎風雀降。在雀降航跡最佳化方面：研究翼傘氣動參數、繩索特性、載荷重量和風場條件與最佳化性能及軌跡特徵之間的映射關係, 實現基於混沌粒子群最佳化算法的雀降過程軌跡規劃。在控制策略研究方面：針對雀降不同階段研究確定最佳的控制策略方法。提出基於魯棒性分析，並結合對翼傘動力學特性的精確描述，實現失速臨界狀態的最優控制，最大限度降低翼傘著陸水平與垂直速度。傘塔空投試驗驗證研究結果。

結題摘要

本項目以研究翼傘系統自主歸航中雀降階段為切入點，著眼於翼傘系統在整個歸航階段的非線性建模和控制問題，以最終實現可控雀降，提高著陸精度，減小著陸時速度為目標，從以下幾個方面研究翼傘系統歸航過程中的幾個關鍵問題。模型建立方面：基於CFD數值模擬技術研究了翼傘在襟翼偏轉下氣動性能變化，分析了翼傘在風雨環境中的壓強分布、水膜厚度、姿態變化，通過引入襟翼偏轉附加升阻力係數、雨膜影響因子、風荷載、雨荷載及風雨等效作用點修正翼傘氣動方程，並在此基礎上建立了翼傘系統在複雜干擾下柔性非線性八自由度動力學模型。解決迎風降落方面：提出了根據翼傘系統的對地速度求解風場的風速風向，並通過遞推最小二乘法的疊代更新能力實現風場信息的線上辨識。藉助大氣動力學相關理論，建立了廣義上部摩擦層風廓(風場)計算公式，並結合所建立的翼傘系統風場辨識模型，提出並建立了翼傘系統線上風場預測模型，從而為實現翼傘系統的歸航、軌跡跟蹤和迎風雀降的自主控制提供條件。在歸航航跡最佳化方面：一方面，使用混沌粒子群算法、偽譜法和多目標最佳化算法研究了基於最優控制的翼傘系統航跡最優規劃問題；另一方面，設計了一套完整的全高度分段歸航航跡規劃方案，並利用輔助種群量子差分進化算法和量子遺傳算法進行尋優求解，最終規劃出著陸精度高和迎風雀降的歸航航跡。在控制策略研究方面：針對歸航任務，提出了基於廣義預測控制和自抗擾控制的翼傘系統軌跡跟蹤控制策略，實現了翼傘系統軌跡跟蹤控制。結合線上風場辨識，研究了翼傘系統在未知風場中歸航控制問題，提高翼傘系統在未知風場中的歸航精度和抗風能力。在試驗驗證方面：開發了翼傘系統半實物仿真平台和翼傘空投試驗平台，提出了仿真試驗、半實物仿真和空投試驗的三層試驗驗證機制。仿真和半實物仿真試驗為翼傘系統實際空投試驗提供先驗經驗。三種試驗手段相輔相成，為翼傘系統開發和實用化奠定了基礎。