动力翼伞系统空投风场的辨识与应用

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaJuI．252016VoI．37No．72286-2294ISSN1000．6893CN11—1929／VhttD：∥hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn动力翼伞系统空投风场的辨识与应用檀盼龙1，孙青林1’+，高海涛2，陈增强11．南开大学计算机与控制工程学院，天津3003502．安徽科技学院电子系，凤阳233100摘要：风场对动力翼伞系统的运动状态有着重要的影响，获得风场中风的速度和方向可以使动力翼伞系统利用或者消除风场的影响。针对风场辨识问

2、题，通过分析动力翼伞系统在风场作用下的飞行特性，提出了一种基于动力翼伞系统在风中的飞行状态进行风场辨识的方法。该方法仅使用动力翼伞系统配备的全球定位系统(GPs)模块采集定位数据，计算获得动力翼伞系统飞行的速度和方向，根据风场与动力翼伞系统的动态关系，利用最小二乘法对风场进行在线辨识。为了保证辨识精度，由GPs获得的动力翼伞系统运动信息经卡尔曼滤波器进行滤波处理。仿真结果表明：该方法对风场有较高的辨识效果，并能辅助实现雀降。关键词：动力翼伞系统；风场辨识；轨迹规划；卡尔曼滤波；雀降着陆中图分类号：V249．1；TP29文献标识码：A文章编号：10

3、00一6893(2016)07—2286一09动力翼伞系统是由翼伞和动力系统组成的一种无人航空器。翼伞的特点是具有可控性、滑翔性、安全性和大载荷比，能够通过操纵伞绳实现转弯动作，从而控制翼伞的飞行方向，实现精确空投[】]。同时，翼伞在着陆阶段可以通过下拉伞衣后缘模仿鸟类的落地动作，实现平稳着陆的雀降操纵[2。3]。动力翼伞系统不仅继承了翼伞的特点，而且能够弥补空投高度不足带来的空投误差，扩大了翼伞的应用范围。动力翼伞系统与固定翼无人机、四旋翼等飞行器相比具有速度低、性价比高、安全性高、续航时间长和抗干扰能力强的优势，具有更广阔的应用前景[4]。由

4、于翼伞本身材料的轻便性，充气后的飞行过程中翼伞会受到风场较强的干扰作用口。7]。动力翼伞系统进行轨迹跟踪时，对已知风速风向进行一定的补偿可以提高系统的跟踪精度，增加系统的稳定性。在实施雀降操作时，需要将翼伞系统逆风对准目标点，随后在短时间内下拉翼伞后缘襟翼实施雀降着陆。在动力翼伞系统归航轨迹优化中，常用的方法是最优控制归航方法[8]，在进行问题分析时需要建立风场坐标系，即以风向为横轴建立坐标系对系统进行描述，从而减少风场干扰因素对计算过程的影响。基于以上原因，风场辨识的研究对翼伞空投系统和动力翼伞系统具有实际意义。目前已有学者针对不同应用背景下的

5、风场辨识方法进行了研究。文献[9]根据航空炸弹飞行中的实际轨迹和模型轨迹的偏差对风场进行辨识，取得了一定的效果。Branden等在文献[10]中提出了一种利用全球定位系统(GlobalPositio—ningSystem，GPS)和陀螺仪来测定翼伞系统所处环境风速风向的方法，利用翼伞的飞行特性以收稿日期：2016—01—07；退修日期：2016-01-27；录用日期：2016．03—21；网络出版时间：2016．03．2413：57网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail／11．1929．v．20160324．1357．002h

6、lmI基金项目：国家自然科学基金(61273138)；天津市重点基金(14JczDJc39300)*通讯作者．Tel：022—23508547E—mail：sunql@nankaj．edu．cn确甩榕武

7、檀酚龙．孙青林．高海涛．等动力翼伞系统空授风场的辨识与应用!JI航空学报．2816．37(7)：2286．2294。TANPL．SUNQL，GAoHT，et酿w

8、noldentifIcationanaapoIicatIonofDoweredoarafoi

9、syStem!JI÷ActaAeronauticaetAstronautIcasini．ca

10、，2016．37(7)：2286-2294檀盼龙，等：动力翼伞系统空投风场的辨识与应用及翼伞对地飞行速度和偏航角进行风场辨识。但翼伞系统的负载和翼伞伞体是一种柔性连接，具有相对运动，陀螺仪所测的偏航角度与翼伞飞行方向具有一定的偏差，因此测量结果有较大的波动，测量精度较差。本文从实际需求出发，提出了基于GPS数据和动力翼伞系统在风场中飞行的动态特性的在线风场辨识方法。该方法不需要在原有系统上增加额外设备，只需以GPS定位数据为基础，结合动力翼伞系统在风中的飞行特性，通过递推最小二乘法辨识风速在水平坐标系下各坐标轴的分量从而对风场进行在线辨识，具有较

11、高的有经济性和实用性。在动力翼伞系统飞行过程中进行风场辨识，可以保证风场辨识结果的实时性，提高雀降和轨迹控制的精确性。1动力翼伞系统建模