翼伞自主归航半实物仿真系统技术方案

一种翼伞自主归航半实物仿真系统。包括电机操纵系统、伞载控制系统和翼伞系统模型仿真系统。电机操纵系统能够模拟翼伞自主归航过程中实时操纵翼伞后缘伞绳的动作；伞载控制系统的输出控制信号施加到电机操纵系统和翼伞系统模型仿真系统；翼伞系统模型仿真系统中，仿真PC机解算翼伞系统动力学非线性模型，将仿真的翼伞系统的位置信息解算为GPS的信号格式提供给伞载控制系统，并将解算的GPS信号值实时显示形成动态的翼伞系统三维归航曲线图，以此验证自主归航控制器的有效性和控制执行方案的正确性。本发明专利技术是实际空投前验证控制算法和控制执行方案的半实物仿真，可提前发现问题及时解决，缩短了翼伞系统自主归航控制方案的开发周期，节约了成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于翼伞系统归航控制
，涉及对翼伞空投实验系统的改进，具体为翼伞自主归航半实物仿真系统。
技术介绍
翼伞气动性能优良，通过自动或者手动的滑翔转弯控制实现比较精确的定点着陆。又以其低成本在各领域都获得了广泛的应用。如无人机和飞船返回舱的回收、人员和武器装备的空投、高空风能发电等。翼伞系统的操纵主要是靠左(或右)侧的单侧下偏，当电机拉下左(或右)操纵绳时，翼伞系统向左(或右)转弯，通过电机不断地操纵伞绳使得系统沿着设定的航迹运动。 只有通过自主归航控制算法不断的进行误差修正，才能实现翼伞系统的精确自主归航。现行验证控制器的有效性和控制执行机构的正确性的方法主要是汽车拖曳实验，塔台投放实验和高空空投实验。这些实验的主要目的是要给翼伞系统提供一个接近实际的空投环境，模拟出翼伞系统的实际空投过程出舱，充满完全展开，控制器接收伞载 GPS信号，自主归航控制算法解算控制量，控制量施加到控制执行机构对翼伞系统进行归航控制，在着陆点精确着陆。但是这些实验验证方法都存在一定的缺点汽车拖曳实验是以一定的速度使得翼伞系统充满展开，控制算法解算出控制量， 控制量施加到控制执行机构，这种方法只能验证控制器与控制执行机构以及控制执行机构与翼伞连接的正确性，并不能很好的验证自主归航控制算法的有效性。塔台投放实验是将翼伞系统在完全充满展开的情况下，以给定的初始速度在一定的高度下落，这种方法既能验证控制器与控制执行机构以及控制执行机构与翼伞连接的正确性，又能在一定程度上验证自主归航控制算法的有效性，但是由于塔台投放高度有限，并不能很好的验证自主归航控制算法的有效性。高空空投实验是用飞机将翼伞系统载至一定高度的高空，可以完整实现翼伞出舱直至着陆的过程，这种方法既能验证控制器与控制执行机构以及控制执行机构与翼伞连接的正确性，又能验证自主归航控制算法的有效性，但是费用高、风险大、组织一次实验耗时较长。为了能在实际空投前验证控制算法的有效性和控制执行机构的正确性，期望有一种验证周期短、节约成本、高度逼近实际空投环境的实验方法。
技术实现思路
本专利技术目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种翼伞自主归航半实物仿真系统，能够模拟翼伞自主归航过程真实工作环境的测试平台。本专利技术提供的翼伞自主归航半实物仿真系统，包括电机操纵系统、伞载控制系统和翼伞系统模型仿真系统；电机操纵系统包括底座，底座上安装的支撑架，以及用于控制翼伞系统左下偏的左电机和右下偏的右电机，左电机和右电机轴套上各安装有一个用于卷动翼伞操纵绳的绞盘，用于控制翼伞后缘的两根翼伞操纵绳的一端分别固定并缠绕在其中的一个绞盘上，翼伞操纵绳的另一端绕过支撑架顶端横梁上安装的滑轮后各固定有一个模拟左右下偏控制时翼伞操纵绳受力的重锤，左电机和右电机分别通过电机控制器输出动力线连接伞载控制系统中的电机控制器，左电机和右电机上同时各安装有一个用于反馈翼伞操纵绳位置的多圈电位器，多圈电位器通过反馈信号线连接伞载控制系统中的微控制单元；伞载控制系统包括两个电机控制器，分别与电机操纵系统中左电机或右电机连接，用于对左电机或右电机进行控制，实现控制算法并提供控制策略的微控制单元，分别与两个电机控制器连接，同时通过反馈信号线分别连接电机操纵系统中的两个用于反馈电机控制位置的多圈电位器，微控制单元根据多圈电位器的反馈信号及翼伞系统模型仿真系统解算的翼伞系统的位置对左电机或右电机进行控制，电源，用于为两个电机控制器供电；翼伞系统模型仿真系统与伞载控制系统中的微控制单元连接，由仿真PC机实现，仿真PC机采用空投过程中的翼伞系统动力学非线性模型，仿真PC机将解算的翼伞系统的位置实时显示形成动态的翼伞系统三维归航曲线图，并将解算的翼伞系统的位置以GPS 的信号格式提供给伞载控制系统中的微控制单元。所述的左电机和右电机采用直流电动机，该电机能够对绞盘施加正、反两个方向的力矩。所述的动力学非线性模型为六自由度非线性模型，包括翼伞系统的三维位置信息，即惯性坐标系下的X、Y和Z三轴位置，以及三个欧拉角信息，即俯仰角、滚转角和偏航角，在满足接口协议的条件下，与伞载控制系统无缝连接。所述的GPS信号格式的位置包括经纬度和高度信息，它由仿真PC机实时解算惯性坐标系下的三轴位置得到，并传递到伞载控制系统。本专利技术的优点和积极效果1)翼伞自主归航半实物仿真系统中采用的装置简单、节约成本，在室内就可以完成实验。2)位于PC机的翼伞系统模型仿真系统采用空投过程中的翼伞系统六自由度非线性模型，可以设置较复杂的外界环境以高度逼近真实的空投过程。3)翼伞自主归航半实物仿真系统可以综合验证自主归航控制算法的有效性和控制器检测与控制多任务协调的正确性以及操纵伞绳的控制执行机构的正确性。通过实时显示在PC机上的翼伞系统归航曲线来验证所设计的自主归航控制算法的有效性；电机操纵系统可以验证控制器检测与控制多任务协调的正确性以及操纵伞绳的控制执行机构的正确性。4)翼伞自主归航半实物仿真系统作为一种实验手段，验证周期短、可重复利用率高，其为自主归航控制器的设计、实验以及验证提供了有效的手段和开发环境。附图说明图1为翼伞自主归航半实物仿真系统结构示意图；图中，0-支撑架，1-左电机，2-右电机，3-绞盘，4-绞盘，5_翼伞操纵绳，6_翼伞操纵绳，7-重锤，8-重锤，9-滑轮，10-滑轮，11-多圈电位器，12-多圈电位器，13-反馈信号线，14-反馈信号线，15-微控制单元，16-控制量输出信号线，17-控制量输出信号线，18-电机控制器，19-电机控制器，20-电机控制器输出动力线，21-电机控制器输出动力线，22-电源线(负)，23_电源线(正)，M_电源，25-翼伞系统模型仿真系统提供控制信号的信号线，26-翼伞系统仿真模型，27-GPS信号的信号线，28-电机操纵系统，29-伞载控制系统， 30-翼伞系统模型仿真系统。图2为实时显示形成的翼伞系统三维归航曲线图；图3为翼伞系统三维归航曲线图在水平面上的二维投影图。具体实施例方式实施例1 本翼伞自主归航半实物仿真系统结构如图1所示，它包括电机操纵系统观、伞载控制系统四和翼伞系统模型仿真系统30。电机操纵系统28由支撑架0、控制翼伞系统左下偏的左电机1和右下偏的右电机 2、与电机轴套安装的用于卷动翼伞操纵绳的绞盘3和4、用于控制翼伞后缘的翼伞操纵绳5 和6、模拟左右下偏控制时翼伞操纵绳受力的重锤7和8、支撑翼伞操纵绳受力的滑轮9和 10、用于反馈电机控制位置的多圈电位器11和12、连接到微控制单元的反馈信号线13和 14以及接收电机控制信号的动力线20和21组成。伞载控制系统四由接收多圈电位器11和12反馈电机1和2控制位置的反馈信号线13和14、微控制单元15、微控制单元15解算出的电机控制量输出信号线16和17、电机控制器18和19、电机控制器18和19的输出动力线20和21、给电机控制器18和19供电的电源线22和23、电源M、微控制单元15给翼伞系统模型仿真系统提供控制信号的信号线25以及微控制单元15接收翼伞系统空投GPS信号的信号线27组成。翼伞系统模型仿真系统30由接收微控制单元15提供控制信号的信号线25、位于 PC机的翼伞系统仿真模型沈和为微控制单元15提供翼伞系统空投GPS信本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种翼伞自主归航半实物仿真系统，其特征在于：该系统包括电机操纵系统、伞载控制系统和翼伞系统模型仿真系统；电机操纵系统包括：底座，底座上安装的支撑架，以及用于控制翼伞系统左下偏的左电机和右下偏的右电机，左电机和右电机轴套上各安装有一个用于卷动翼伞操纵绳的绞盘，用于控制翼伞后缘的两根翼伞操纵绳的一端分别固定并缠绕在其中的一个绞盘上，翼伞操纵绳的另一端绕过支撑架顶端横梁上安装的滑轮后各固定有一个模拟左右下偏控制时翼伞操纵绳受力的重锤，左电机和右电机分别通过电机控制器输出动力线连接伞载控制系统中的电机控制器，左电机和右电机上同时各安装有一个用于反馈翼伞操纵绳位置的多圈电位器，多圈电位器通过反馈信号线连接伞载控制系统中的微控制单元；伞载控制系统包括：两个电机控制器，分别与电机操纵系统中左电机或右电机连接，用于对左电机或右电机进行控制，实现控制算法并提供控制策略的微控制单元，分别与两个电机控制器连接，同时通过反馈信号线分别连接电机操纵系统中的两个用于反馈电机控制位置的多圈电位器，微控制单元根据多圈电位器的反馈信号及翼伞系统模型仿真系统解算的翼伞系统的位置对左电机或右电机进行控制，电源，用于为两个电机控制器供电；翼伞系统模型仿真系统：与伞载控制系统中的微控制单元连接，由仿真ＰＣ机实现，仿真ＰＣ机采用空投过程中的翼伞系统动力学非线性模型，仿真ＰＣ机将解算的翼伞系统的位置实时显示形成动态的翼伞系统三维归航曲线图，并将解算的翼伞系统的位置以ＧＰＳ的信号格式提供给伞载控制系统中的微控制单元。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙青林，焦亮，陈增强，吴泰霖，邹晓健，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：12