动力滑翔伞的建模和运动分析-博泰典藏网
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动力滑翔伞的建模和运动分析
导读：动力滑翔伞的建模和运动分析，而自主动力滑翔伞（PPG）就可以实现无人飞行器的功能，动力滑翔伞运动的具体参数细节尚未被研究，本次研究建立了一个动态PPG模型并得出了其运动特性分析的结果，关键字:翼伞,UAV,建模,数字模拟，动力滑翔伞(PPG)由滑翔翼伞和一个配备引擎/马达及螺旋推进器的主体组成，这也使得动力滑翔伞（PPG）在多载具的系统中有着各式各样的应用，,与双摆结构类似.因此,PPG的运动动力滑翔伞的建模和运动分析 摘要：无人飞行器（UAV）是用于侦察观测地面情况的设备，于灾难发生时收集必要的具体地面信息。此外，为了获得更全面的地面信息，一个多载具系统也是必要条件之一。而自主动力滑翔伞（PPG）就可以实现无人飞行器的功能，同时还具有轻型，紧凑，便携的优点，甚至可以由其他无人飞行器携带升空并展开. 然而，动力滑翔伞运动的具体参数细节尚未被研究。本次研究建立了一个动态PPG模型并得出了其运动特性分析的结果。 关键字:翼伞, UAV, 建模,数字模拟
1. 引言 动力滑翔伞(PPG) 由滑翔翼伞和一个配备引擎/马达及螺旋推进器的主体组成。 图1 展示了一个PPG的实例。
图1 PPG的外观图片 具备推进系统和无推进系统的伞翼比较起来，具备推进系统的伞翼在续航能力上有着提高，而自主动力滑翔伞（PPG）就可以实现无人飞行器的功能，同时还具有轻型，紧凑，便携的优点，甚至可以由其他无人飞行器携带升空并展开，这也使得动力滑翔伞（PPG）在多载具的系统中有着各式各样的应用。
现今，PPG的一种应用途径是监视并侦察地面情况. 而在未来，PPG会被用于对污染的大气进行抽样，例如在环境污染或火山喷发的时候等。
常规的PPG是一悬挂飞行系统, 即伞翼与搭载设备的主体在悬挂点连接 ,与双摆结构类似. 因此, PPG的运动参数与通常被表述为一刚体系统的飞机的运动特性是不同的，
绝大多数近期的关于自主伞翼的研究是关于航行和导航的[1]。 例如，Ref.2对恢复系统翼伞的导航和控制的研究, 实现了对地面目标点的软着陆. 然而，至今为止，对于翼伞的飞行高度稳定性方面的研究还在初步阶段。
本次研究建立了一个动态PPG模型并得出了其运动特性分析的结果。 2.PPG的模型 绝大多数的降落伞与负载系统被当成一个和飞机相同的刚体来进行分析 [3].而伞翼还被作为一个六自由度的模型来分析 [4]. 然而, 在考虑到降落伞及其负载的振荡存在不同后, 分析其运动特性时就将其作为两个个体组成的系统来分析 [5].在此类系统中具有最多自由度的是可旋转的降落伞，被作为两个个体组成的具有九个自由度的系统进行分析 [6].
近期，伞翼和其负载间的相对运动已经被研究 [7]. 存在着四种相对运动t: (1) 相对偏航, (2) 相对横摇(3)相对升降 (4) 相对俯仰.然而, (2)相对横摇和 (3) 相对升降通常可被忽略 图2展示了PPG的零部件
图2.PPG的零部件 为了更精确的描述运动(1) 和 (4)
, 我们建立了一个8自由的的类似双摆的PPG的模型（图3）。 才 图3. 8自由度的PPG模型 该伞翼具有基本的6个自由度, 例如, 相对自由俯仰运动和扭曲运动,可以被建模成一个关于伞翼偏航轴Zc的含弹簧和阻尼的二阶振荡系统. 选取伞翼和其负载的重心作为其各自的坐标系统零点
设其负载与伞翼的悬挂绳 (或缆绳)在两点连接着（如图三）。伞翼的Z轴Zc被定义成一垂直穿过Oc和负载上两连接点中点的轴. 负载部分的X轴Xb则与推进力方向平行。
8自由度伞翼的运动已经在一些论文中被研究过 [8,9,10]. 参考资料[8]和[9] 提到了大规模伞翼X-38项目的运动特性和飞行动力参数以及伞翼动态仿真 (PDS).在这些论文中的 PDS 建立了如下模型，由两个动态部分组成即伞翼为一6自由度刚体，而负载则相对伞翼俯仰和偏航. 该数学仿真结果与一些飞行试验数据稳和, 但PDS的细节并未在这些论文中阐述。参考资料[10]也提到这个参考资料[8]和[9]中的8自由度模型。 在这篇文章中,于伞翼和负载的连接处（悬挂点）采用了一种连接反应和一种回转力矩的模型， 但未采用含弹簧和阻尼的模型. 参考资料[8],[9]和[10]中的模型都为考虑推进力的因素, 因为这些伞翼和负载系统并不是用于飞行的系统而是用于救援的。
3. 控制输入 两条控制绳从伞盖的左右尾缘垂下. 向负载方向拉拽控制绳使伞翼边缘偏转以在伞盖中产生刹停力,可以使PPG向被拉拽控制绳方向偏转. 当左右控制绳同时被拉拽即可减缓向前的速度. 因此，PPG的系统有3个控制输入。 例如, 左侧和右侧控制绳被拉拽的长度以及推进力。
4. 运动公式 4.1 运动公式综述 状态变量定义在伞盖坐标系统中，如下. uc, vc, wc: 伞盖向前，向侧，向下的速度 pc , qc , rc:伞盖滚动俯仰和偏航的角速度 qbc, rbc:负载相对于伞盖俯仰和偏航的角速度 Φc ,θc ,ψ?c: 伞盖滚动俯仰和偏航的度 θ?bc,Φbc: 负载相对于伞盖俯仰和偏航的角度 下列公式给出了负载上的合力作用 FbI??FbG??FbA??FbT??Fbth??0 (1) 其中 FbI: 惯性力 FbG: 重力 FbA: 空气动力 FbT: 缆绳张力 Fbth: 推进力 下列公式给出了负载上的合力矩作用 MbI??MbA??MbT??0(2) 其中 MbI: 惯性力矩 MbA: 空气动力矩 MbT: 缆绳张力矩 下列公式给出了伞盖上的合力作用 FcI??FcG??FcA??FcT??Fc????0 (3) 其中 FcI: 惯性力 FcG: 重力 FcA: 空气动力 FcT:伞绳张力 Fc??: 刹车偏转力 下列公式给出了伞盖上的合力矩作用 McI??McA??McT??Mc????0 (4) 其中 McI: 惯性力矩 McA: 空气动力矩 McT: 缆绳张力矩 Mc??: 刹车偏转力矩 因为推进力沿Xb轴方向，该力关于重心的力矩为0 由伞绳张力相对负载的相对力矩MbT和相对伞盖的相对力矩McT可由kψbc??crbc计算。其中T k是弹性系数，c是阻尼系数。通过关系式FcT???FbT,我们可以消掉等式(1) 和 (3) 中的张力 得到平动的公式. 同样我们可以通过等式(2)和 (4)得出滚动的公式.
额外搭载物产生的空气动力和力矩包含在了空气动力FcA和力矩McA[11].
4.2 飞行测试数据和数学分析结果的比较 模型的参数来自于对载人滑翔伞的飞行测试的资料[12]. 我们用这些参数进行数学模拟. 负载重93(kg)而伞盖重 6.4(kg).图4显示了当左右控制绳同时被拉动相同长度时的刹车偏转角. 该角度在0秒时开始增加并在1秒处开始减小，角度的峰值是0.2 (rad). 该偏转角由一个时间常数为0.3秒的一阶系统生成 /图4.控制输入
图5和图6分别显示了伞盖的俯仰率和俯仰角在飞行测试中的数据和数学模拟的比较结果. 其中部分由飞行测试得来的飞行动力参数进行了修改, 数学模拟的时间序列曲线和飞行测试中的并不接近. 因此对用于数学模拟的参数必须修改. I在将来，我们将进行试飞来获得空气动力等数据, 这样我们可以通过获得的数据分析其运动特性. 包含总结汇报、农林牧渔、出国留学、高中教育、求职职场、教学研究、IT计算机以及动力滑翔伞的建模和运动分析等内容。本文共3页
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