一种翼伞四自由度半实物仿真平台的制作方法

本发明涉及翼伞仿真控制，特别是涉及一种翼伞四自由度半实物仿真平台。

背景技术：

翼伞系统具有良好的操纵性能，通过操纵两侧后缘操纵绳，可使翼伞完成滑翔、转弯的动作。根据这一特性，通过左右伺服电机分别控制左右操纵绳下拉量，可使翼伞按照期望的轨迹运行，完成精确归航的目标。目前主流的归航算法主要包括简单归航、最优控制归航、分段归航等。其中，简单归航通过实时修正系统当前航向来接近目标；最优控制归航以时间最优或能量最优的标准来设计归航轨迹；分段归航以接近目标上空，消耗能量并逆风对准的思路设计轨迹，易于操纵实现，工程中受到了广泛应用。

目前对各类航迹规划算法的文献报道较多，而对归航控制器设计的报道较少，空投试验所耗费的大量人力、物力是制约其研究发展的主要因素。为了推进翼伞控制的研究，方便翼伞控制实验的开展，有必要为翼伞实验设计一个简便轻巧、易于控制且拓展性强的半实物仿真平台，且能真实反映翼伞系统的控制特性。现有的半实物仿真系统仅用重锤模拟翼伞操纵绳的受力，且系统平台是固定的，系统的位置和航向只能由系统仿真模拟给出，而并非由实际gps、惯导实时采样得到，因此无法完全模拟翼伞的实时运动。

为了以直观形象的方式体现翼伞的运动状态，在外置、姿态角各方面验证控制算法的有效性，有必要设计更贴近于工程实际应用的翼伞半实物仿真平台，为翼伞空投提供有效、可靠的实验系统。

技术实现要素：

发明目的：为克服现有技术存在的不足，提供一种能够在二维平面内模拟翼伞在三维空间内的滑翔、转弯等动作，并且体现后缘操纵绳对于翼伞的操纵特性，为翼伞的归航控制研究提供简便易用且可靠有效的翼伞四自由度半实物仿真平台。

技术方案：一种翼伞四自由度半实物仿真平台，包括壳体、数据采集系统、运动控制系统、伞载控制系统及模型状态解算系统；

数据采集系统包括伞载传感器，该伞载传感器包括安装在壳体内部且位于仿真平台的质心位置的惯导和gps系统；gps系统的接收装置安装在壳体上，所述gps和惯导系统采集仿真平台的位置和姿态信息；

运动控制系统包括安装在壳体底部外侧的三个全向轮、与各全向轮对应的伺服电机及其驱动器；通过伺服电机及其驱动器来控制每个全向轮转动的方向及速度大小，以实现二维平面内的平动及转动；

伞载控制系统，由工控机实现，接收数据采集系统的测量数据，依据归航控制算法，得到相应的控制量输出给模型状态解算系统；

模型状态解算系统，由工控机实现，其接收伞载控制系统发出的控制指令，同时从干扰装置接受干扰指令，两者均作为模型状态解算系统的输入；模型状态解算系统根据上一时刻的状态以及输入，迭代得到下一时刻模型状态量的值；并解算出为了达到该状态，三个全向轮运动的速度方向及转向角大小，并将此指令反馈给伞载控制系统，进而控制运动控制系统。

其中，所述gps系统采集仿真平台的坐标信息，惯导系统采集仿真平台的偏航角、欧拉角、滚转角及三轴加速度信息。

所述模型状态解算系统解算的状态模型为翼伞四自由度模型，其包括x、y、z轴位置坐标以及偏航角四个状态量；其中，高度量也作为影响因子影响其他参数的值，以实现在二维平面内模拟三维坐标。仿真平台的高度信息在系统初始化时给出，作为投放高度。随着系统的运行，模型状态解算系统将高度量进行递减，且随着控制量输入的不同，递减的速度随之变化。

所述干扰装置为无线控制继电器模块。手持式无线遥控器可发出各类信号，控制仿真平台上相应继电器的通断，利用数据采集卡采集继电器的通断，可将遥控器模拟的干扰信号输入到模型状态解算系统。

所述三个全向轮以120°等间隔分布在仿真平台的底部周围。通过伺服电机控制各轮转动方向及转速，仿真平台能够完成各个方向的平动以及自身的转动。

所述仿真平台的电源系统采用锂电池搭配逆变器的组合。锂电池可充电使用，绿色高效，满足了系统户外实验的需求；逆变器可将直流电转化为220v交流电，满足了工控机、惯导等实验设备的供电需求。

所述锂电池的电压范围为36v至48v，所述逆变器的输出波形为正弦波，以避免产生电磁污染，对搭载的惯导及gps产生干扰。电压过高会带来潜在的安全隐患，电压过低会造成工作电流过大，同样比较危险；逆变器的输出波形有方波、正弦波等，应当采用输出正弦波的逆变器，避免产生电磁污染，对搭载的惯导及gps产生干扰。

进一步的，所述仿真平台还包括设置在壳体上的显示系统，用以实时显示运动信息和控制信息。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明设计的半实物仿真平台结构简单，能够直观反映翼伞系统的运动状态，可根据实际需求增加或减少传感器数量，扩展性强。

(2)本发明与传统依赖于空投试验的归航控制实验方案相比，在不降低翼伞模型准确性的前提下，能够在地面以较低的实验成本开展实验，对设计的归航控制算法进行一定程度上的验证。

(3)本发明与已有的位置固定的半实物仿真平台相比，系统是实时运动的，系统的水平位置、航向都是在实际运动过程中实时采样而得，更能模拟翼伞运动状态。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是全向轮运动方程示意图；

图3是增量式pid算法航向控制实验原理框图；

图4是定航向跟踪实验结果图；

图5是变航向跟踪实验结果图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

一种翼伞四自由度半实物仿真平台，包括数据采集系统、运动控制系统、伞载控制系统及模型状态解算系统。

如图1所示，该平台有一壳体1，壳体下端外侧壁安装有三个全向轮3，且相邻两个全向轮间的夹角为120°；壳体内部安装有三个伺服电机4、电机驱动器5及锂电池和逆变器7，用以驱动三个全向轮运动。壳体内部位于系统的质心位置附近安装有惯导和gps传感器2，且在壳体上安装有gps传感器的接收装置；壳体内部还安装有工控机6，其通过串口与惯导和gps传感器连接，实时传送测量数据。壳体上端外部安装有显示面板8，用以实时显示测量数据。

锂电池搭配逆变器的组合作为该仿真平台的电源系统。锂电池可充电使用，绿色高效，满足了系统户外实验的需求；逆变器可将直流电转化为220v交流电，满足了工控机、惯导等实验设备的供电需求。其锂电池的电压范围应选为36v至48v，电压过高会带来潜在的安全隐患，电压过低会造成工作电流过大，同样比较危险；逆变器的输出波形有方波、正弦波等，应当采用输出正弦波的逆变器，避免产生电磁污染，对搭载的惯导及gps产生干扰。

数据采集系统主要包括惯导和gps等传感器，亦可根据实际需求增加相应传感器。gps采集平台坐标信息，惯导采集平台的偏航角、欧拉角、滚转角及三轴加速度等信息。惯导和gps传感器通过串口与工控机相连，实时传送测量数据。惯导安装在系统质心位置附近，提高测量数据的准确性，gps需在壳体上安装接收装置。数据采集系统在解析传感器数据时，需要对每帧数据进行校验，确保读取数据的准确性，必要时进行滤波，防止数据毛刺的出现。

伞载控制系统与模型状态解算系统均在工控机内实现。伞载控制系统是指导仿真平台运动的依据，首先接收数据采集系统的测量数据，将测量数据与理想数据作差，依据预置的归航控制控制算法，迭代计算得到相应的控制量输出。不同的归航控制算法中，系统可根据算法需要，选取相应类别的传感器数据作为输入，应当限制控制指令输出的范围，使其不大于翼伞伞绳单侧下拉量的最大值。在实际空投归航试验中，若要对翼伞的飞行轨迹加以修正，或者指导翼伞朝向目标位置飞行，控制器需要实时获取伞载传感器(即数据采集系统)的测量数据，并计算出两侧操纵绳需要的下拉量。此仿真平台搭载了惯导和gps传感器，既可以根据惯导给出的角度信息计算航向偏差，也可以根据gps数据直接求得轨迹的坐标偏差，能够适应多种控制算法的需求。

模型状态解算系统是使仿真平台能够模拟翼伞运动特性的关键所在，依据翼伞四自由度模型搭建系统，拥有x、y、z轴位置以及偏航角四个自由度。从伞载控制系统得到控制指令，即单侧伞绳下拉量，同时从干扰装置接受干扰指令，两者均作为系统的输入。系统根据上一时刻的状态以及输入，迭代得到下一时刻模型四个状态量的值。进一步地，解算出为了达到该状态，三个全向轮需要以何种速度方向及大小转动，并将此指令下传给伞载控制系统。

所述干扰装置采用无线控制继电器模块。手持式无线遥控器可发出各类信号，控制仿真平台上相应继电器的通断，利用数据采集卡采集继电器的通断，可将遥控器模拟的干扰信号输入到模型状态解算系统。

四自由度模型状态解算系统将控制输入解算为翼伞飞行规律。四自由度模型依据arosich和pgurfil提出的翼伞气动性能参数关系建立，具体为：

该模型将大地面视为平面，并在大地坐标系下建立该模型，其中，分别表示翼伞系统三个坐标轴方向的速度；表示翼伞系统航向的变化率；γ为飞行航迹角，表示速度方向与水平面的夹角；σ表示系统倾斜角；g表示重力加速度；v表示直线飞行速度。翼伞四自由度模型中，以控制量作为输入参数，惯性坐标系下的x、y、z轴坐标以及偏航角度ξ作为四个自由度表示翼伞的状态信息，其中，z轴坐标(即高度)还作为其他状态量的影响因子。

其中，仿真平台的高度信息在系统初始化时给出，作为投放高度。随着系统的运行，模型状态解算系统将高度量进行递减，且随着控制量输入的不同，递减的速度随之变化。某一时刻的高度量也作为影响因子影响其他参数的值。从而解决了在二维平面内模拟三维坐标的问题。

此仿真平台依据四自由度模型设计，接收伞载控制系统输出的控制量作为输入，模型状态方程以此进行迭代，得到新的三轴坐标以及偏航角度。其中，高度量在系统初始化时进行设置，随模型迭代进行递减，同时也影响其他状态量的计算过程，解决了在二维平面内模拟三维坐标的问题。地面试验无法实现真实空投中的远距离投放，仿真平台可采用等比例缩小的方案，将距离缩小n倍。将模型中的滑翔速度缩小n倍，则相应三轴坐标变化率亦随之缩小n倍；同时，根据公式(v′表示滑翔速度，r表示转弯半径，表示偏航角变化率)，在偏航角变化率不变的情况下，可通过降低滑翔速度的方式，将转弯半径缩小n倍，以此解决了在小范围实验场地内模拟远距离空投的问题。

运动控制系统包括三个全向轮，以及各轮对应的伺服电机及其驱动器，通过控制每个全向轮转动的方向及速度，可以控制整个平台的平动及转动。所述伺服电机利用数据采集卡接收数字指令，输出0-10v电压值来控制电机的转速及方向，实现da控制。在模型状态解算系统中，翼伞模型接收控制量，通过迭代，计算出翼伞各个状态量需做出的相应改变，具体为三轴速度以及偏航角度变化率等。进一步地，解算三个全向轮的运动方程，通过控制仿真平台的平动及转动，模拟翼伞的飞行轨迹。

如图2所示，三个全向轮以120°等间隔分布，d表示全向轮中心到机器人质心的距离。全向轮的运动学方程为：

其中，ω1、ω2、ω3表示三个轮的转速，r′表示全向轮半径，vx表示仿真平台在体坐标系下的前进速度，ω表示仿真平台在体坐标系下的转动速度。实际仿真实验中，由于翼伞无法完成侧向飞行的动作，可将vy置为0。

利用此仿真平台，可对归航控制算法作相应验证。翼伞在归航过程中，往往需要对航向作出调整，以修正飞行轨迹。根据目标点以及当前位置信息，能够计算出理想航向。惯导能够实时采集系统的航向角，一旦出现偏差，可采用控制算法加以修正。

为验证仿真平台设计的有效性，本发明申请采用增量式pid算法设计了航向控制器，如图3所示，是翼伞增量式pid算法航向控制实验的结构设计框图，并进行了两次实验。在两次实验中，分别对固定航向角以及不断变化的航向角加以跟踪，在此过程中，利用红外遥控器不断加入风量干扰，检验控制算法的有效性。

如图4所示，在实验一中，设置标准航向角为0°，算法修正了仿真平台初始存在的25°航向偏差，对于持续加入的风量干扰也能够进行修正，且控制量曲线较为平滑，易于工程实现。

如图5所示，在实验二中，设置标准角度在0°、10°、20°、30°间切换，仿真平台在增量式pid算法的控制下，能够进行航向角的跟踪，控制曲线同样较为平滑，仅在标准角度出现跳变时控制量存在较大的变化。

实验结果表明：利用本发明提出的翼伞四自由度仿真平台，能够对翼伞飞行状态进行模拟，对于提出的归航控制算法，能够验证其有效性，为真实空投试验提供实验依据。