翼伞空投系统模糊控制器的设计与实现

　　0　引　　言

　　翼伞即伞衣完全充气展开后呈翼型的降落伞。同普通的圆伞相比前者具有良好的滑翔和可操纵性能。通过下拉伞衣后缘的操纵绳改变其气动外形,实现对翼伞的操纵,包括单侧下拉的转弯操纵和双侧下拉的减速和雀降操纵[1]。凭借这些飞行特性,翼伞被广泛的应用于救援物资和武力的投放,提高救援和作战的效率[2-3]。能否按预定着陆点安全着陆是整个过程的关键。传统的归航控制主要以比例和非比例控制[4]为主。翼伞系统因其复杂的气动特性,很难建立较精确的数学模型[5]。传统的控制方案往往达不到满意的效果且抗干扰能力较差。本文提出基于模糊逻辑的模糊控制算法,把基于专家知识的语言规则转换成自动的控制行为,克服了被控对象不确定和外部因素干扰的局限性。提高了控制的精度,也增强了整个空投系统的鲁棒性。

　　1　翼伞系统动力学模型

　　翼伞系统是1个多输入多输出的非线性系统。对于归航控制而言,复杂的模型会大大增加计算的复杂度,影响控制效果。结合实际工程的需要,本文推导并建立了六自由度的翼伞模型。

　　1.1　基本假设[1-2,6]

　　1)翼伞是展向对称的,伞衣完全充气展开后有固定的形状;

　　2)空投物与翼伞刚性连接成一个整体;

　　3)对于空投物只考虑其所受的阻力,升力忽略不计;

　　4)伞衣的压心与质心重合,位于弦向距前缘1/4处;

　　5)地面为平面大地。

　　1.2　坐标系的建立

　　为了便于问题的分析,本文建立了2个主要坐标系,即大地坐标系(惯性坐标系)Odxdydzd和翼伞系统体坐标Oxtytzt。如图1所示。大地坐标系原点Od取空间中某一固定点;Odzd轴竖直向下;Odxd轴垂直Odzd轴,指向初始的运动方向;Odyd轴垂直平面Odxdzd,三轴构成右手坐标系。体坐标系原点O位于翼伞系统的质心;Ozt轴指向回收物的质心Ow;平面Oxtzt构成翼伞系统的展向对称面,Oxt轴指向伞衣前缘;Oyt轴垂直平面Oxtzt。

　　大地坐标系与翼伞系统体坐标系的转换关系由3个欧拉角(ψ,θ,ζ)决定,变换矩阵如式(1)所示。

　　式中:ωx、ωy、ωz为体坐标系下的角速度分量,ψ、θ、φ分别代表系统偏航角、俯仰角和滚转角。

　　1.3　翼伞系统动力学方程

　　系统动力学方程由动量和动量矩定理得到。翼伞在空中运动近似于在理想流体中运动,须考虑附加质量对整个系统的影响。因此,系统总的动力学方程由两部分组成:一部分由真实质量产生;另一部分由附加质量产生。附加质量参考Barrows[7]提出的计算方法,翼伞气动力和力矩采用分片计算的方法。本文只给出主要推导过程,详细资料和公式见文献[2,8]。