一种水平风场干扰下的翼伞滑翔比测量方法

1.本发明属于翼伞性能测试领域，特别涉及了一种翼伞滑翔比测量方法。


背景技术：

2.滑翔比是翼伞的一项重要的性能参数，其是指翼伞在无风干扰下，翼伞直线滑行时的水平速度与垂直速度的比值。但是，在翼伞飞行过程中，水平风场始终存在，这会对翼伞的运动产生较大影响，从而对翼伞滑翔比的测量造成干扰。所以需要一种方法用于水平风场干扰下的翼伞滑翔比的测量。
3.现有的方法是测得翼伞直线滑行阶段的水平和垂直运动距离后，将二者的比值作为翼伞的滑翔比。这种方法没有考虑水平风场对翼伞运动的影响，这会导致测量的滑翔比与实际值偏差较大。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种水平风场干扰下的翼伞滑翔比测量方法。
5.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
6.一种水平风场干扰下的翼伞滑翔比测量方法，该测量方法基于水平风场下的翼伞运动模型：
7.设翼伞持续保持稳定运动状态且其初始位置坐标、初始航向角、空速、下滑角、水平风场的风速及风向均确定，推导获得翼伞在任意时刻的位置、速度及航向角；
8.该测量方法的步骤如下：
9.(1)为翼伞配置测控系统；
10.(2)进行翼伞空投测试试验：当翼伞开伞成功后，控制翼伞自由滑翔直至进入稳定直线滑翔阶段，计算获得翼伞在该阶段的水平运动速度、垂直下降速度、航向角；随后控制翼伞转弯直至进入稳定盘旋下降阶段，计算获得翼伞在该阶段的最大、最小水平运动速度及相应时刻的航向角；最后控制翼伞安全降落；
11.(3)根据步骤(2)得到的数据计算水平风场的风速和风向，进一步计算得到翼伞的滑翔比。
12.进一步地，所述翼伞运动模型基于以下假设：
13.(a)翼伞运动空域只含有水平风场，且风速风向在翼伞飞行时间段内恒定不变；
14.(b)翼伞的速度等于其空速与风速的矢量和；
15.(c)对翼伞持续施加某任意控制量一段时间后，翼伞会达到稳定运动状态，此时翼伞的空速大小、航向角变化率以及下滑角保持不变；
16.设翼伞持续保持稳定运动状态且其初始位置坐标为(x0,y0,z0)，初始航向角为ξ0，水平风场的风速大小为v
w
，风向为α，则翼伞在任意时刻t的三轴速度分别为：
[0017][0018]
其中，v
s
、γ、β分别为翼伞稳定运动时的空速、下滑角及航向角变化率；
[0019]
翼伞在任意时刻t的三轴坐标分别为：
[0020][0021]
翼伞在任意时刻t时的水平速度为：
[0022][0023]
当ξ0+βt
‑
α＝2kπ，k＝0,
±
1,
±2………
时，翼伞有最大的水平速度：
[0024]
(v
xy
)
max
＝v
s
cosγ+v
w
[0025]
此时翼伞的航向角ξ1为：
[0026]
ξ1＝α+2kπ k＝0,
±
1,
±2……
[0027]
当ξ0+βt
‑
α＝(2k+1)π，k＝0,
±
1,
±2……
时，翼伞有最小的水平速度：
[0028]
(v
xy
)
min
＝v
s
cosγ
‑
v
w
[0029]
此时翼伞的航向角ξ2为：
[0030]
ξ2＝α+(2k+1)π k＝0,
±
1,
±2………
[0031]
水平风场的风速由下式求得：
[0032][0033]
水平风场的风向由下式求得：
[0034][0035]
进一步地，所述测控系统用于远程控制翼伞的运动方向以及实时采集翼伞的定位数据并回传至地面；同时，测控系统根据定位数据实时计算翼伞的水平运动速度、垂直下降速度和航向角。
[0036]
进一步地，在步骤(2)中，当翼伞开伞成功后，测控系统向翼伞发送直行命令，翼伞经历不稳定的直线滑行阶段后，进入稳定直线滑行阶段，根据测控系统回传的定位数据计算获得翼伞在该阶段的水平运动速度、垂直下降速度和航向角；当翼伞稳定直线滑翔设定的距离后，测控系统向翼伞发送转弯命令，翼伞经历不稳定的盘旋下降阶段后，进入稳定盘旋下降阶段，根据测控系统回传的定位数据计算获得翼伞在稳定盘旋下降阶段的最大、最小水平运动速度及对应时刻的航向角；当翼伞稳定盘旋下降设定的时间后，控制翼伞安全降落。
[0037]
进一步地，根据翼伞的航向角和水平速度保持不变确定翼伞进入稳定直线滑翔阶段；在翼伞进入稳定直线滑行阶段后，控制翼伞继续稳定直线滑翔直至水平运动距离超过
100米。
[0038]
进一步地，根据翼伞的垂直速度保持不变确定翼伞进入稳定盘旋下降阶段；在翼伞进入稳定盘旋下降阶段后，控制翼伞继续稳定盘旋下降直至航向角变化超过2π。
[0039]
进一步地，在步骤(3)中，根据翼伞稳定盘旋下降阶段的最大、最小水平运动速度及对应时刻的航向角计算水平风场的风速及风向；在此基础上，结合翼伞稳定直线滑翔阶段的水平速度、垂直速度、航向角计算翼伞稳定直线滑翔阶段的空速；在此基础上，计算得到翼伞的滑翔比。
[0040]
进一步地，在步骤(3)中，计算水平风场的风速v
w
：
[0041][0042]
其中，稳定盘旋下降阶段的最大水平速度，稳定盘旋下降阶段的最小水平速度；
[0043]
计算水平风场的风向α：
[0044][0045]
其中，分别为翼伞在稳定盘旋下降阶段中水平速度最大、最小时的航向角。
[0046]
进一步地，计算翼伞稳定直线滑翔阶段的空速
[0047][0048]
其中，分别为翼伞稳定直线滑翔阶段的水平速度、垂直速度及航向角。
[0049]
进一步地，计算翼伞比k：
[0050][0051]
采用上述技术方案带来的有益效果：
[0052]
本发明将翼伞用于实际的空投试验，在试验中控制翼伞依次经历不稳定直线滑行阶段、稳定直线滑行阶段、不稳定盘旋下降阶段、稳定盘旋下降阶段，分别测取翼伞在各个阶段的数据后，计算翼伞空投时所受到的水平风场的风速与风向，在此基础上准确获得翼伞的滑翔比。本发明相较与传统的方法可以有效地解决水平风场对翼伞滑翔比测量的影响，使得测量的滑翔比更准确。本发明为翼伞的设计定型提供了重要参考。
附图说明
[0053]
图1是本发明的方法流程图；
[0054]
图2是本发明测量方法的原理示意图；
[0055]
标号说明：a、翼伞开伞成功点；b、翼伞开始稳定直线滑翔点；c、翼伞开始盘旋下降点；d、翼伞开始稳定盘旋下降点；e、翼伞稳定盘旋阶段水平速度最大点；f、翼伞稳定盘旋阶
段水平速度最小点；g、翼伞降落点；翼伞在稳定直线滑翔阶段航向角；翼伞在e点航向角；翼伞在f点航向角；α、水平风场风向。
具体实施方式
[0056]
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0057]
本发明设计了一种水平风场干扰下的翼伞滑翔比测量方法，该测量方法基于水平风场下的翼伞运动模型：
[0058]
设翼伞持续保持稳定运动状态且其初始位置坐标、初始航向角、空速、下滑角、水平风场的风速及风向均确定，推导获得翼伞在任意时刻的位置、速度及航向角；
[0059]
该测量方法的步骤如下：
[0060]
步骤1：为翼伞配置测控系统；
[0061]
步骤2：进行翼伞空投测试试验：当翼伞开伞成功后，控制翼伞自由滑翔直至进入稳定直线滑翔阶段，计算获得翼伞在该阶段的水平运动速度、垂直下降速度、航向角；随后控制翼伞转弯直至进入稳定盘旋下降阶段，计算获得翼伞在该阶段的最大、最小水平运动速度及相应时刻的航向角；最后控制翼伞安全降落；
[0062]
步骤3：根据步骤2得到的数据计算水平风场的风速和风向，进一步计算得到翼伞的滑翔比。
[0063]
优选地，所述翼伞运动模型基于以下假设：
[0064]
(a)翼伞运动空域只含有水平风场，且风速风向在翼伞飞行时间段内恒定不变；
[0065]
(b)翼伞的速度等于其空速与风速的矢量和；
[0066]
(c)对翼伞持续施加某任意控制量一段时间后，翼伞会达到稳定运动状态，此时翼伞的空速大小、航向角变化率以及下滑角保持不变；
[0067]
设翼伞持续保持稳定运动状态且其初始位置坐标为(x0,y0,z0)，初始航向角为ξ0，水平风场的风速大小为v
w
，风向为α，则翼伞在任意时刻t的三轴速度分别为：
[0068][0069]
其中，v
s
、γ、β分别为翼伞稳定运动时的空速、下滑角及航向角变化率；
[0070]
翼伞在任意时刻t的三轴坐标分别为：
[0071][0072]
翼伞在任意时刻t时的水平速度为：
[0073][0074]
当ξ0+βt
‑
α＝2kπ，k＝0,
±
1,
±2……
时，翼伞有最大的水平速度：
[0075]
(v
xy
)
max
＝v
s cosγ+v
w
[0076]
此时翼伞的航向角ξ1为：
[0077]
ξ1＝α+2kπ k＝0,
±
1,
±2……
[0078]
当ξ0+βt
‑
α＝(2k+1)π，k＝0,
±
1,
±2……
时，翼伞有最小的水平速度：
[0079]
(v
xy
)
min
＝v
s cosγ
‑
v
w
[0080]
此时翼伞的航向角ξ2为：
[0081]
ξ2＝α+(2k+1)π k＝0,
±
1,
±2……
[0082]
水平风场的风速由下式求得：
[0083][0084]
水平风场的风向由下式求得：
[0085][0086]
优选地，在步骤1中，所述测控系统用于远程控制翼伞的运动方向以及实时采集翼伞的定位数据并回传至地面；同时，测控系统根据定位数据实时计算翼伞的水平运动速度、垂直下降速度和航向角。
[0087]
进一步地，测控系统包括伞载系统和地面站。伞载系统中设置有定位装置、无线电台及拉动操纵绳的电机。地面站发送命令控制伞载系统拉动两侧操纵绳，从而控制翼伞的运动方向；伞载系统采集翼伞定位数据并回传至地面站，地面站根据定位数据实时计算翼伞的水平运动速度、垂直下降速度和航向角。伞载系统中的定位装置采用gps定位传感器，其定位误差在2米以内，采样频率在10hz以上。
[0088]
进一步地，根据定位数据实时计算翼伞的水平运动速度v
xy
(k)、垂直下降速度v
z
(k)、航向角ξ(k)的方法如下：
[0089][0090][0091][0092]
其中，δt为定位装置的采样间隔，x(k+1)、y(k+1)、z(k+1)为第k+1个采样时刻的翼伞位置的三轴坐标值，x(k)、y(k)、z(k)为第k个采样时刻的翼伞位置的三轴坐标值。
[0093]
优选地，在步骤2中，当翼伞开伞成功后，测控系统向翼伞发送直行命令，翼伞经历不稳定的直线滑行阶段后，进入稳定直线滑行阶段，根据测控系统回传的定位数据计算获得翼伞在该阶段的水平运动速度、垂直下降速度和航向角；当翼伞稳定直线滑翔设定的距离后，测控系统向翼伞发送转弯命令，翼伞经历不稳定的盘旋下降阶段后，进入稳定盘旋下降阶段，根据测控系统回传的定位数据计算获得翼伞在稳定盘旋下降阶段的最大、最小水平运动速度及对应时刻的航向角；当翼伞稳定盘旋下降设定的时间后，控制翼伞安全降落。
[0094]
进一步地，根据翼伞的航向角和水平速度保持不变确定翼伞进入稳定直线滑翔阶段；在翼伞进入稳定直线滑行阶段后，控制翼伞继续稳定直线滑翔直至水平运动距离超过100米。
[0095]
进一步地，根据翼伞的垂直速度保持不变确定翼伞进入稳定盘旋下降阶段；在翼伞进入稳定盘旋下降阶段后，控制翼伞继续稳定盘旋下降直至航向角变化超过2π。
[0096]
优选地，在步骤3中，根据翼伞稳定盘旋下降阶段的最大、最小水平运动速度及对应时刻的航向角计算水平风场的风速及风向；在此基础上，结合翼伞稳定直线滑翔阶段的水平速度、垂直速度、航向角计算翼伞稳定直线滑翔阶段的空速；在此基础上，计算得到翼伞的滑翔比。
[0097]
进一步地，在步骤3中，计算水平风场的风速v
w
：
[0098][0099]
其中，稳定盘旋下降阶段的最大水平速度，稳定盘旋下降阶段的最小水平速度；
[0100]
计算水平风场的风向α：
[0101][0102]
其中，分别为翼伞在稳定盘旋下降阶段中水平速度最大、最小时的航向角。
[0103]
进一步地，计算翼伞稳定直线滑翔阶段的空速
[0104][0105]
其中，分别为翼伞稳定直线滑翔阶段的水平速度、垂直速度及航向角。
[0106]
进一步地，计算翼伞比k：
[0107][0108]
翼伞在空投试验中的运动过程如图2所示。翼伞在a点开伞成功后，在测控系统控制下开始进行自由滑翔运动。翼伞在经过不稳定的ab阶段后，从b点开始进行稳定的直线滑翔运动，其航向角、水平速度、垂直速度均保持不变。翼伞从c点开始进行转弯运动，在经过不稳定的cd阶段后，从d点开始进行稳定的盘旋下降运动，其垂直速度、航向角变化率均保持不变。翼伞在稳定盘旋下降阶段经过速度最大点e点和速度最小点f点后，最终在g点降落。
[0109]
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。