多孔降落伞自主导航与制导系统设计

Parachute is a device to realize the aerodynamic speed reduction with the help of aerodynamic resistance and is extensively used in the fields of Aeronautics and Astronautics at present. Aiming at the problem that it is not possible to realize active control during the descending of parachute and further to realize the navigation and guidance capacity, one design method to control the holes opening to realize the autonomous navigation and guidance was proposed in this project (the holes mean the designed holes for the purpose of realizing the active control of parachute). Based on the GPS measurement data, the relative orientation of all holes on parachute can be calculated. The opening and closing logic and opening size of holes can be determined by the relationship between landing position and holes, thus to realize the movement of parachute towards landing point; meanwhile, considering the failures like distortion of GPS information and failure of control actuator, the fault-tolerant control technology shall be used to complete the design of above system to ensure the effective operation of system. The dynamic modeling and design of autonomous navigation and guidance algorithm are two critical issues and also the key study contents for this project.

降落伞是利用空气阻力实现气动力减速的装置，目前广泛用于航空航天领域。针对降落伞在下降过程中无法实现主动控制，进而无法实现导航与制导现状，项目中提出一种利用孔洞开度控制实现降落伞自主导航与制导的方法（这里的孔洞是指为实现降落伞主动控制而设计的孔洞），即基于GPS测量数据解算降落伞各孔洞的相对方位，再利用着陆点位置与孔洞相对方位关系，确定孔洞开闭逻辑及开度大小，使降落伞朝向着陆点方向运动；同时，考虑控制过程中可能发生的GPS测量信息失真、控制执行机构失效等故障情况，在完成上述系统设计过程中需要采取容错控制技术，以保证系统有效运行。其中，多孔降落伞的动力学建模、自主导航与制导算法设计是研究中的两个关键问题，也是本项目的重点研究内容。

传统降落伞在下降过程中抗外界干扰能力差、落点散布区域大。为了提高降落伞的落点准确度，在国家自然科学基金资助下，开展了自主导航降落伞的设计研究。研究过程中，先后攻克多项关键技术，主要包括：自主导航降落伞控制机理分析、降落伞多自由度动力学模型的建立、自主导航降落伞控制系统设计及开发、高空投放试验技术等。项目执行过程中，研究内容基本按照原计划内容执行，在控制方案实施中做出一定调整。调整内容如下：原计划通过伞衣孔洞开度控制实现降落伞下降轨迹改变，所提方法及预期效果在机理分析、动力学建模与仿真、开环控制试验中均得到验证。但利用原方案在实现预定落点的闭环控制中遇到困难，其原因在于柔性伞衣在作动器安装后会发生严重变形、甚至存在无法顺利开伞的风险。基于上述问题，项目组对控制方案做出及时调整，改用伞绳收放方案来实现降落伞下降轨迹调整，并深入开展了机理分析、动力学研究、高空投放试验等工作，取得预期研究目标和效果。研制样机的高空投放试验表明，上述所提两种方案均能够实现降落伞下降轨迹的改变。对于通过闭环制导控制实现降落伞精确着陆问题而言，伞绳收放方案在可行性上更有利于自主导航降落伞设计，并有望在实际工程中得到应用和推广。