翼伞系统建模控制及规划方法研究

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题名	翼伞系统建模控制及规划方法研究
作者	李兵兵1,2
答辩日期	2019-05-25
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	韩建达
关键词	翼伞系统简化模型主动模型能量反馈末端降落规划
学位名称	博士
其他题名	Modeling, Control and Planning of Parafoil System
学位专业	模式识别与智能系统
英文摘要	本文针对翼伞系统的简化模型建立、模型在线修正的主动建模、控制器设计以及降落规划问题展开研究。主要研究内容如下：首先，基于伞体的空气动力学方程，通过添加在负载的发动机推力，建立了针对有动力翼伞系统的六自由度非线性初始模型；针对得到的初始模型，通过特定平台实验数据的相关性分析，得到了适用于特定飞行平台的相关性结论，并用于指导初始模型的简化，进而得到系统的标称模型。然后，对于得到的系统标称模型，通过将系统的模型漂移、未建模因素和外界干扰等对系统状态的影响，视为系统的过程噪声，并通过实时模型误差估计，建立了系统的主动模型。对于线性标称模型，通过线性卡尔曼滤波器，实现了在线模型差的估计，进而建立了线性主动模型；对于非线性标称模型，通过扩展卡尔曼滤波器，建立了非线性主动模型。通过在不同飞行状态和包含外界气流干扰情况下的飞行实验，验证了模型的有效性。再次，对于得到的系统模型，通过对系统输入、状态与系统能量之间的分析，提出了基于能量反馈的控制方法，并基于此方法，采用前视引导策略，完成了系统对目标轨迹的跟踪。在无系统输入和不考虑外界风扰的情况下，系统将保持当前的运动状态。对于系统的输入，发动机的推力能够直接影响系统的前向速度和高度，并直接改变系统的能量；双侧拉输入通过实现系统前向速度的减小和高度的增加，实现系统动能与势能的转化，并保持系统能量总和的不变；单侧拉输入直接改变系统的航向角度，并对系统的前向速度和高度不产生重要影响。通过使用单通道PID实现系统的高度控制；通过在前向速度通道添加能量反馈，实现了能量的控制，从而实现系统前向速度的调节。仿真结果表明，相较于独立通道PID，该方法具有明确的调节过程和更好的控制效果，且有利于系统整体的稳定。前视引导策略通过将飞机前方最近的期望轨迹线上的点作为当前飞行目标点，能够有效实现对多边飞行轨迹的跟踪。在仿真中，通过实现系统对多边形目标曲线的跟踪，验证了该方法的有效性。最后，对于翼伞系统特殊的降落问题，通过对贝塞尔曲线对降落阶段的末端轨迹进行改造，将期望轨迹的求解问题转化为代价函数的优化求解问题，并通过将环境信息、系统动力学约束以及降落误差等信息融入到系统的代价函数中，最终得到了在保证系统动力学约束情况下，能够实现对外界障碍物躲避和保证降落精度的可行期望轨迹，最终在仿真环境中，通过不同环境下的飞行测试验证了方法的有效性。本文的研究工作包含了系统的简化模型建立、包含模型误差的实时动力学建模、基于能量反馈的控制器设计和基于贝塞尔曲线的降落规划算法四个方面的内容，并通过仿真和实验测试，对方法的有效性进行了验证。
语种	中文
产权排序	1
页码	128页
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.cn/handle/173321/25152]
专题	沈阳自动化研究所_机器人学研究室
作者单位	1.中国科学院大学 2.中国科学院沈阳自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	李兵兵. 翼伞系统建模控制及规划方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2019.