多自主翼伞系统建模及其集结控制

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnaulicaSinicaOct．252016VoI．37No．103121-3130lSSN1000．6893CN11-1929／VhttD：∥hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaa．edu．cnDoI：10．7527／S1000一6893．2016．0047多自主翼伞系统建模及其集结控制陈奇1’2，赵敏1’*，赵志豪1，马敏毓1，黄荣发31．南京航空航天大学自动化学院，南京2100162．淮阴工学院电子信息工程学院，淮安2230033．中航工业宏光空降装备有限公司，南京

2、210022摘要：当前对翼伞系统的研究主要集中在单个翼伞，但实际空投中一般需要使用多个翼伞，才能完成大量物资、装备的空投补给任务，而多个翼伞同时空投时，将会出现翼伞需要集结、相互间需要避免碰撞等在单翼伞空投时不存在的问题。现有的单翼伞系统已能通过GPS／惯导系统及其他板载传感器实现自主飞行，针对多个自主翼伞的空投任务设计算法，以控制下降翼伞之间的相互运动，实现多翼伞系统的集结和避碰。首先以质点模型为起点，通过引入新的独立变量，并将翼伞运动转换至风固定坐标系，使得单个翼伞质点模型降维为非线性降阶模型，进而得到多自主翼伞模型，在此基础上提

3、出了一种集结控制算法，利用每个翼伞自身的状态信息和相邻翼伞的状态信息，采用势场法使得多翼伞实现集结并避免碰撞，最后一致地降落至地面。仿真结果表明多个自主翼伞实现了集结，减小了翼伞的着陆散布，降低了翼伞之间的碰撞风险，验证了该方法的有效性，可以为进一步研究多自主翼伞协同控制提供理论参考。关键词：单翼伞；质点模型；降阶模型；多翼伞；集结控制；避碰中图分类号：V249．12文献标识码：A文章编号：lOOo一6893(2016)10一3121—10自主翼伞可以根据传感器获得的信息做出操控动作，将物资快速运输到普通运输工具不易到达的地区，将传统

4、的地面保障提升为三维的垂直保障，因此无论是在军用、民用，还是在人道主义救援方面，都有巨大的需求，其中“自主”一词指的是每个对象能利用自身传感器所获得的信息，根据内部规则以及其所处的复杂环境中而各自作出反应的能力[1]。过去50年来，国内外研究者付出了大量努力，设计了一系列不同载荷重量的翼伞，发展了多种单翼伞导航、制导和控制(Guidance，Navigation，andControl，GNC)算法m]，使单翼伞可利用全球定位系统(GlobalPositioningSys—tem，GPS)、惯性导航系统(InertialNavigati

5、onSystem，INS)和其他板载传感器，实时跟踪参考轨迹，自主飞行到目标点。目前已有多个翼伞空投项目在航空、军用等领域成功进行了试验。比如美国的X一38项目，该项目成功地利用翼伞将重达11t的成员返回舱原型机制导飞回地球，其着陆精度达360m[4]。另一个翼伞项目是欧洲航天局的FASTWingCI。，该项目开发的高性能翼伞面积达300m2、滑翔比超过5、载荷重量达到6t[5]。美欧两家开发的翼伞空投系统的特点是翼伞尺寸大、载荷能力强，但单个翼伞系统价格较为昂贵，系统一旦发生收稿日期：2015—10．20；退修日期：2015—11—

6、20；录用日期：2016—02—19；网络出版时间：2016—02—2417：00网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail／111929v．20160224．1700．010．htmI基金项目：航空防护救生技术航空科技重点实验室资助的航空科学基金(20152952038)；江苏省普通高校研究生科研创新计划(KYLxl5—0271)；中央高校基本科研业务费专项资金；江苏高校优势学科建设工程资助项目；淮安市科技计划(HAG2015028)*通讯作者．Tel．：025．84893478E—mail：xymzhao@126c

7、om斟用格武l陈奇，赵敏．赵志豪，等．多自i翼伞系统建模及其集结控翻￡Jj航空学报．2016．37(10)：3121—3130cHENQ．ZHAoM，zHAOzH．et“Mump

8、eautonomousoarafo

9、

10、ssyslemmode‰gandrendezvousconlrol￡Jj．AcfaAeronauticaetAstronauticasinlca．2016．37(

11、o)：3121．3130航空学报Oct．252016VoI．37No．10故障，将无法完成空投任务，造成重大损失。翼伞的另一个发展思路是用多个中小型翼伞代替单

12、个大型翼伞，以完成单个大型翼伞的功能，为此美国国防部(DepartmentofDefense，DoD)主导开发了联合精确空投系统(JointPrecisionAirdropSystem，JPADS)¨J，JPADS主要应