翼伞系统多体动力学与不确定性归航方法研究

Maneuverable ram-air parafoils are widely used in many areas, e.g. military or civilian, to realize precise airdrop and precise-undamaged landing. The significant challenges of application of parafoils are fluid structure interaction analysis for deployment, and homing path planning for wind disturbances in practical airdrop . This project will explore the following aspects: to formulate an inflation model of slider-reefed ram-air parafoils with a focus on controllable mechanisms ; to explore the multi-body dynamics of parafoil–payload system for the purpose of flight control and system identification ; to bulid uncertainty-based path planning for uncertainties in model prediction, wind , and environment of practical airdrop systems。The results of this project can provide theoretical foundation for design of parafoils system.

可控冲压翼伞系统广泛应用于精确空投和“定点无损”着陆，在军事和民用领域有着很大的应用价值。开伞过程中的流固耦合动力学、实际空投任务中风场扰动下的归航方法是翼伞系统研制与应用的瓶颈问题。本申请主要研究：反映下滑布收口作用机理的翼伞开伞过程动力学；面向飞行控制和参数辨识的翼伞多体动力学建模方法；在动力学模型、风场、空投环境等随机因素作用下的翼伞归航方法。拟解决的关键科学问题：翼伞开伞过程中“下滑布”收口作用机理和翼伞流固耦合的动力学分析方法；翼伞系统在不确定条件下的航迹优化算法。本申请研究成果为精确空投系统的分析设计提供技术支持。

可控冲压翼伞系统广泛应用于精确空投和“定点无损”着陆，在军事和民用领域有着很大的应用价值。本项基金主要研究了：反映下滑布收口作用机理的翼伞开伞过程动力学；面向飞行控制和参数辨识的翼伞多体动力学建模方法，以及不确定条件下的翼伞归航方法。主要进展如下：（1）充分考虑伞衣与载荷之间的相对运动，采用拟坐标法建立翼伞系统四体十八自由度模型；并基于十八自由度模型和九自由度模型，对翼伞系统的运动特性及风场影响进行分析。（2）以翼伞系统九自由度模型在风场下的仿真数据作为翼伞实时的飞行轨迹数据，采用融合近似动力学模型的风场在线辨识方法对风场进行识别，增强了传统归航方法的稳健性。采用五段归航法，利用伪谱法对归航轨迹进行优化，使得每段归航过程的控制量均为常数，以便于工程应用。(3) 对翼伞归航过程的控制量等因素的不确定性，采用基于GPC(Generalized Predictive Control) 的不确定分析方法，得到控制量及风场的不确定性对系统输出的状态量的影响。(4)采用快速搜索随机树方法设计了复杂环境下的翼伞归航路径，利用四阶龙格库塔法辅助生成新节点。(5)针对翼伞空投系统最优控制归航的实时性问题，提出了一种结合高斯伪谱法全局规划能力和深度神经网络函数学习能力的归航控制方法。建立了适用于翼伞最优控制量生成的深度神经网络模型；通过仿真试验验证了提出的控制方法的控制量预测精度和归航控制能力。. 本项目研究成果可为翼伞系统动力学建模、空投风场辨识、归航轨迹的设计优化提供有益的参考。