无人机伞降定点回收控制策略研究
摘要
无人机的应用范围越来越广，任务执行环境的复杂性也越来越高。无人机受到许多现代电子新技术的影响，使其功能日益强大，应用价值和技术经济价值不断快速提高。无人机的拆卸是无人机开发和运行的关键，关系到无人机的安全性能和成本。随着无人机复杂性的增加，研发过程中的许多测试都要求无人机可以多次重复使用。无人机研发的关键领域之一是如何实现安全、准确的无人机回收。本文以无人机安全回收为目的，简要总结了芬兰和国外无人机降落伞回收系统的研究空间，讨论了无人机降落伞回收系统的关键技术装备、系统结构设计和实现，并讨论了无人机降落伞回收系统的组成和工作过程。然后，详细讨论了无人机降落伞系统的回收运动，并从定点回收技术的动力学模型、降落伞打开减速和驱动方式三个方面进行了详细分析。由于风向和风速显著影响无人机的安全着陆和回收，本文对风场进行了建模和评估，并设置了相应的测试参数，在特定的风场中模拟了无人机的降落伞回收策略。最后，根据无人机模型在野外飞行的情况，对遥控发射器和接收器的参数进行微调，并根据风向和风速调整降落伞回收策略。经过多次伞降仿真系统实验，结果表明，本文设计的无人机降落伞回收系统满足准确、安全回收的要求。
关键词：无人机；伞降仿真系统；定点回收控制

目录
第1章 诸论 1
1.1研究的背景与意义 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2研究意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 2
1.3主要研究的内容与方法 2
1.3.1研究内容 3
1.3.2研究方法 5
第2章 无人机伞降系统动力学分析 6
2.1物伞系统参数描述 6
2.2伞衣充气特性 8
2.3物伞系统流体特性 8
2.3.1风模型 8
2.3.2物伞系统运动特性 8
第3章 无人机伞降回收系统建模 9
3.1无动力飞行段模型 9
3.2开伞减速段模型 10
3.3开伞稳将段模型 10
3.4本章小结 11
第4章 无人机伞降回收运动轨迹与仿真验证 13
4.1伞降回收运动特性描述 13
4.2风对系统运动轨迹的影响 13
4.3场高对系统运动轨迹的影响 14
4.4无人机伞降回收系统仿真与验证 15
4.4.1伞降回收仿真平台 15
4.4.2系统性能验证 16
第5章 无人机伞降回收控制策略研究 19
5.1无人机回收前控制策略 19
5.2无人机飞行段控制策略 19
5.3无人机开伞控制策略 19
5.4伞降回收切伞控制策略 19
5.5本章小结 20
第6章 总结与展望 21
参考文献 22
附录 24
致谢 25

第1章 诸论
1.1研究的背景与意义
1.1.1研究背景
由于无人机的应用范围更广，任务执行环境复杂，无人机已经应用了很多现代电子新技术，使无人机的功能进一步增强，应用价值和技术经济价值正在快速增长。无人机如何安全着陆并尽可能完好无损是无人机研究、测试和设计应用中的一个关键问题，直接关系到无人机的安全性能和制造成本。因此，无人机安全着陆研究已成为经济成本或军事安全不可或缺的一部分。随着无人机复杂性的增加，研发过程中的许多测试都要求无人机可以多次重复使用。此外，在无人机执行确认任务的飞行的各个阶段，最终返回部件非常容易受到各种意外故障的影响，一些后果严重的意外故障会直接损坏无人机。无人机故障的主要原因是无人机无法准确了解回收过程中着陆的环境因素，或者控制策略存在较大偏差。因此，无人机研发中最重要的问题之一就是如何安全、准确地回收无人机。
1.1.2研究意义
降落伞捕获是近距离和中程无人机最常用的捕获方法之一。与其他回收方法相比，降落伞回收具有使用范围广、成本效率高、对回收场地要求低、回收策略简单、能满足复杂野外环境下的回收要求等优点。然而，在使用降落伞回收时，如果在回收阶段对影响降落伞回收的各种因素分析不全面，回收时机不准确，无人机在回收和着陆过程中容易出现各种故障和险情，无人机因回收错误而损坏甚至坠毁。因此，本研究对提高无人机降落伞落点捕获的准确性和可靠性，提高无人机飞行的安全性具有很好的指导意义和实用价值。
国外研究人员主要从动力学和应用的角度对无人机降落伞回收系统的控制技术进行研究，并取得了大量的理论研究成果。怀特和沃尔夫提出了六个自由度模型来测量伞绳和吊索的柔韧性。六自由度模型要求降落伞连接系统是固连的，然后对固连模型进行了详细的分析和研究。Nikravesh和Talay将刚性耦合系统从6个自由度扩展到12个自由度和27个自由度，特别是关于伞的振动特性和控制器的运动，并做了大量的研究。与这两个不同，沃尔夫和斯帕尔从动态的角度来看待降落伞连接系统。他们结合了雨伞的相互干扰，认为整个系统的总体设计并不全面。每把伞都必须单独分析，以获得合适的数学模型。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
降落伞回收系统由降落伞子系统、降落伞打开装置、降落伞舱、释放和操纵子系统以及阻尼装置组成。它被广泛用于无人机的降落伞。无人机回收具有操作简单的优点。收到返回指令后，飞机完成从飞行状态到交接和着陆的全过程，对操作员的要求较低。此外，降落伞回收在现场的要求较低，不需要跑道，可以在野外条件下使用。因此，许多国外型号采用降落伞回收，如法国的“Marte”和意大利的“mirage”。降落伞捕获系统的设计包含了广泛的内容，涵盖了广泛的领域和学科。同时，它有着广泛的应用。返回质量从几千克到几十吨不等，打开降落伞的速度从低速到超音速不等，高度从几千米到几十公里不等。近年来，大量研究集中在降落伞回收系统、降落伞开启控制系统的动力学分析和仿真以及关键部件的力学分析上。
1.2.2国内研究现状
随着无人机应用的不断推广，国内科研院所也投入了大量人力物力进行无人机研究，在降落伞修复方面取得了重大进展。具有强大军事背景的西北工业大学在这方面取得了优异的成绩。多功能无人机asn-206和小型低空低速多功能无人机asn-104是西北工业大学研制的极具代表性的无人机。这两种无人机都是降落伞，机身上装有滑梯和保险杠减震器，以减少冲击。整个降落伞回收过程由程序自动控制，无需人工干预。金友兵和其他研究人员从这个角度分析了降落伞系统的动力学。他们采用凯恩方法，通过研究建立了九自由度运动控制的数学模型。该系统使用独立的伪速度来消除鱼雷和三个系统之间的作用力。李光超等人在一定的假设下，为伞系统提供了一个12个自由度的模型，并详细分析了收集过程的演变。在无人机降落伞系统的研究中，北京航空航天大学的苏远等研究人员采用动量法逐步分析降落伞充气过程，并结合降落伞从闭合打开到弹射后完全充气的时间变化。在降落伞系统动力学数学模型的研究中，中国国防大学程文科教授的团队进行了长期的研究，做了大量的工作，建立了一个可行的动力学模型。他们认为系统的框架和降落伞是具有六个自由度的刚性物体，中心的拉索是固定的。他们用微分方程分析系统，获得非线性数学模型，分析模型的特性，最后进行一系列仿真实验。廖千芳团队详细分析了无人机在充气和下降过程中的状态，确定了相应的模型，并对下降过程中的锥角摆动提出了很好的建议。
1.3主要研究的内容与方法
1.3.1研究内容
1.回收系统建模
(1)降落伞系统建模
伞降回收过程中，由于空速较小，飞机气动力贡献小，机伞系统的运动主要受伞的阻力和重力影响，而伞绳拉力作为系统内力，主要影响机体姿态，所以，需要对伞的气动阻力和伞绳拉力进行建模。实际伞降过程中,一般先打开引导伞，再逐渐拉开主伞，故主伞的阻力面积逐渐增加,直至达到最大。该过程可近似为一惯性环节,分析伞绳的拉伸过程可知，其拉力产生与弹簧相似,在拉伸时受的拉力和伸长程度正相关，与弹簧不同的是在拉伸时有一部分能量以热量形式损失，该特点可以在弹簧基础上加上阻尼特性来表示。此外,在收缩时不对连接点产生作用力，故伞绳的拉力可以用弹性阻尼模型来表示，伞绳对伞的拉力与伞绳内部拉力相同，伞绳对物体的拉力与对伞的拉力大小相等方向相反,通过降落伞受力情况，建立降落伞系统数学模型。
(2)机-伞系统建模
假设飞机和降落伞之间通过三条伞绳连接，则机体所受的合力为气动力、伞绳拉力和重力之和，由此建立机伞系统的动力学方程，用于描述回收过程中机伞系统的运动状态。
2.风场数据分析
影响伞降回收精度的主要因素是风，目前伞降回收的无人机回收程控风场数据普遍采用地面平均风为参考量，即通过观测提取一个固定的风速和风向，但在实际回收环境中还存在随机风，风速和风向是变化的，且受不同地形影响，不同高度层的风速、风向都有变化，因此，优化风场测量方法与数据分析处理，提取适合无人机伞降的风场数据值，是目前提高伞降精度的关键。
自然界中的风主要有平均风、切变风、随机风和风暴，其中平均风是普遍存在的背景风，随机风是大气紊流，切变风发生在气候容易变化的地区或季节变换的时候，风暴是灾害性天气中常见的风。住大气分层中，从地面到距离地面600米高度的这一段大气，受地面因素影响较大，普遍存在随机风，是平均风和紊流风的叠加，而且目前伞降无人机开伞高度普遍在这一大气分层中。
选择合适无人机回收场，利用激光雷达测风仪等测风仪器，对回收场地面500米以下风场的风速、风向等数据进行测量，利用数据统计和分层分析的方法，研究在不同地形、环境下各高度层数据特征,计算分析伞降回收高度层内平均风速与风向。
观测环境选择周边空旷无高山建筑地形，山地丘陵地、山谷平坦地等地形。
3.回收策略优化
伞降回收中可调节的参数较多，其中包括:停车前飞机的位置、速度以及停车时飞机的俯仰角、航向角和迎角以及停车到开伞的时间间隔(由该时间确定飞机开伞时的位置和速度)。考虑实际工程中的可操作性，可以限定部分参数。例如停车到开伞的时间间隔，因为停车后飞机无推力，重力起主要作用，若停车时间过长，则竖直方向速度过大，容易超过开伞的安全速度。故实际应用中，可以限定时间间隔的值，其余量可以由如下步骤确定：
首先，确定停车高度。开伞到着陆的时间主要取决于开伞高度，开伞高度越低，该时间越短，开伞后风场扰动对机体运动影响的时间越短，则用考虑风场后估计出来的机体落点更准确;但同时，从伞降的安全性考虑，需要开伞高度可以使飞机着陆时已经降至最低速度(即滑行段已经结束)，所以，开伞高度不能低于一个临界值。即飞机着陆速度为最低的临界高度，可令地面高度为0，由回收模型解出该高度，为避免在线求解微分方程，可以先用数值方法离线求解，然后将求的结果存入数据表,在实际使用时查表即可。另外，由于实际中存在垂直风场的扰动，为了提高回收的鲁棒性,可以留出一定的裕量,本文中停车高度。
第二步，确定停车的位置和航向，该步可以采用回溯法，若不考虑风场变化，则漂移段飞机地速不变，先确定航向，再确定位置。项目中航向采用机头迎风且指向期望落点的策略，该策略的优点是当风向发生变化时，由于飞机的航向稳定性，会使机头向相反方向偏转，从而补偿风向变化，且补偿量和风速及风向的变化量成正相关，
可以提高对于风向扰动的鲁棒性。在停车前，设停车时空速为，则可以解出无动力飞行段和滑行段飞机的总位移，则飞机的最佳停车位置为。实际操作中由于风场扰动和控制误差，飞机不可能准确到达最佳停车位置，可以接近该位置时在每个控制周期内计算飞机当前位置与最佳停车位置的距离，当该距离减到最小并开始增加时停车，则可使飞机着陆时最接近期望点。
1.3.2研究方法
本文通过建立返回降落伞定点回收模型，研究了不同风速和风向对无人机无动力飞行阶段、打开降落伞初始减速阶段和稳定着陆阶段各回收阶段弹道的影响。在50m范围内获得实际着陆位置与理想着陆位置之间的最佳管理策略和控制误差，实现准确、安全的降落伞着陆，在任何风向角下恢复，提高无人机飞行的安全性。接收到观测数据后，收集观测数据中各高度层的风速和风向数据，分析不同高度层数据的变化特征，研究适合无人机捕获降落伞的风场数据处理方法，并计算测量值。

第2章 无人机伞降系统动力学分析
2.1物伞系统参数描述
根据下表2-1无人机伞降参数，系统设计如下：
表2-1无人机伞降相关参数
机长 692mm 机高 1382mm
翼展 6686mm 机翼面积 3.07平方米
平均气动弦长 478.5mm 开伞速度 90-200km/h
开伞过载 7g 回收伞质量 10kg
由表2.1可知，本文研究的无人机回收点的速度为150m/s，在这样的回收率下，如果直接使用单个降落伞进行回收，降落伞面积大，打开降落伞的动载荷很大。因此，有必要选择非常坚固的材料来制作降落伞，以避免在打开降落伞的过程中受损。高强度材料伞的体积和质量通常较大，这使得伞系统的质量限制和体积限制难以满足上述要求。因此，在这项工作中，使用了两个降落伞，即减速降落伞和主降落伞，以恢复无人机。由于使用条件的不同，降落伞的结构性能有很大的不同，不同结构的降落伞的几何参数也不同。与其他雨伞相比，该系统的结构和参数具有各自的特点。系统的主要部件如图2-1所示。包括伞套、伞绳、带子、可回收材料和各种连接器。同时，根据上述降落伞系统的体积限制要求，圆柱形降落伞袋用于将降落伞、降落伞绳、降落伞罩等部件按一定的顺序和形状进行包装，既能保证，工作前，确保降落伞和其他部件不受气流冲击和钩住其他物体，同时控制降落伞部件的矫直程序，以确保降落伞系统的正常打开。无人机回收系统主要由减速帘、主降落伞、主降落伞切换带、减速帘切换带、防爆螺栓、降落伞执行器、降落伞锁等部件组成。无人机救援降落伞舱位于船体内部，一些零件显示在船体后面，如图2-2所示。

图2-1物伞系统结构示意图

图2-2 无人机伞降回收系统结构示意图
2.2伞衣充气特性
降落伞对开伞速度有一定的要求，合适的开伞速度可以保证开伞过程的顺利进行。如果无人机打开降落伞时速度过快，会出现“伞盖”现象，打开降落伞的过程无法顺利进行，阻碍回收，确保无人机安全着陆；如果伞的打开速度太低，无法实现稳定的伞打开速度，打开过程将延迟，甚至无法打开伞，无法安全返回。因此，为了检查成功打开降落伞的条件，有必要检查临界降落伞打开和关闭速度。临界开伞速度是指能够填充降落伞的最大速度，即不能填充降落伞的最小速度。假设在充气过程中，伞的形状是半球形加上切割圆锥体的理想形状。
2.3物伞系统流体特性
2.3.1风模型
自然风主要包括中风、切变风、随机风和风暴，其中中风是普遍存在的背景风，随机风是大气湍流，切变风发生在易发生气候变化或季节变化的地区，风暴是破坏性天气中常见的风。从地面到地面以上600米的大气沉降受地面因素的影响很大，风通常是随机的。这部分可以被认为是平均风和风暴风的叠加。600m的前向风速和风向是有规律的，可以根据大气分层规律估算风力。
2.3.2物伞系统运动特性
降落伞系统是由降落伞系统和载荷组成的双壳系统，其飞行力学计算非常复杂。以前，许多模型假设伞和织物之间的连接是柔性的，但大多数连接杆都是高模量织物材料，后加载应力非常低，伞绳通常是拉直的，因此在本研究中，伞和织物被视为刚性接头。它与一般刚体动力学模型相同，但一些细节需要进一步改进。

第3章 无人机伞降回收系统建模
3.1无动力飞行段模型
无动力飞行段是指无人机从命令“停止”并关闭发动机到命令“打开降落伞”的无动力飞行运动。目前，发动机处于“关闭”模式，建模时未考虑发动机推力和扭矩，恢复伞仍在伞内。仅需确定无人机的动态模型。样本小型无人机采用弹射触发输出模式，包括左右翼，每个翼面都有一个对应的控制面，即左右副翼。后部包括上下升降舵、左右方向舵和后推进器发动机，如图3-1所示。在样本中，无人机左副翼和右副翼以不同的方式旋转，以产生相应的副翼并控制无人机的横向状态；升降舵和下升力舵面同时弯曲，以实现相应的升力活动，并控制无人机的纵向状态；无人机的位置通过几次同时向左和向右倾斜进行微调。