群伞碰撞求解方法、装置、计算机设备和存储介质

1.本技术涉及群伞动力学技术领域，特别是涉及一种群伞碰撞求解方法、装置、计算机设备和存储介质。


背景技术：

2.降落伞是航天器返回或货物空投任务中的一种关键装备，对于重型空投或大重量返回舱一般会采用多具主伞对载荷进行减速，构成群伞减速系统。在群伞系统下落阶段，由于气流扰动，伞与伞之间往往会发生碰撞接触现象，对载荷的运动状态产生较大的影响。为了提高系统设计的可靠性，需要对群伞在下落阶段的碰撞现象进行评估，由于重型空投试验花费巨大，采用试验手段进行分析会耗费大量人力物力。一种合理的群伞碰撞建模分析方法可以极大地提高产品的设计效率。
3.现有的群伞碰撞动力学模型，不考虑伞的外形和当前伞内动压，采用直接在两伞间施加力的方法：包括在两伞间施加弹簧阻尼力或者在两伞间施加与距离平方项成反比的斥力，不能够反映伞内动压变化引起的接触力改变，同时没有考虑伞衣在接触时的外形改变，与试验结果的对比差异较大。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够真实地模拟和反映群伞间的碰撞过程，并兼顾计算效率与计算精度的群伞碰撞求解方法、装置、计算机设备和存储介质。本方法综合利用伞内动压和伞衣接触面积来计算两伞间的碰撞力，解决了现有技术不考虑伞衣本身几何特性和伞内动压的问提。
5.一种群伞碰撞求解方法，伞衣截面的纵切线长度函数所述方法包括：
6.采用多刚体建模方式建立群伞系统的飞行动力学模型。
7.对伞衣外形进行参数化简化，并根据简化后的伞衣外形参数以及在伞衣截面坐标系中的几何关系，确定伞衣截面的纵切线长度函数；所述伞衣截面为通过伞衣中心对称线的截面，由半椭圆和梯形组成；所述伞衣截面坐标系是以所述半椭圆的长轴为r轴，以伞衣中心为原点，按照右手法则构建的；所述纵切线为与平行于纵坐标轴的线。
8.当两伞碰撞时，根据两伞质心距离和几何关系，确定纵切线距离伞衣对称轴的距离。
9.根据两伞接触面处的几何关系、纵切线距离伞衣对称轴距离以及伞衣截面纵切线高度函数，确定两伞接触面的高度与伞的外形参数以及距离伞衣对称轴距离之间的关系方程式；所述两伞接触面由半椭圆和梯形组成。
10.根据预设约束条件，求解所述关系方程式，得到两伞接触面的高度。
11.根据两伞接触面的几何关系和两伞接触面的高度，得到两伞接触面的面积；
12.根据所述两伞接触面的面积、预设接触静压以及预设接触面摩擦系数，得到法向接触力和摩擦力。
13.根据伞的外形参数、纵切线距离伞衣对称轴的距离以及预估的阻力面积，确定由于群伞接触导致的伞阻力面积损失。
14.一种群伞碰撞求解装置，伞衣截面的纵切线长度函数所述装置包括：
15.构建群伞系统的飞行动力学模型模块，用于采用多刚体建模方式建立群伞系统的飞行动力学模型。
16.两伞接触面的面积确定模块，用于对伞衣外形进行参数化简化，并根据简化后的伞衣外形参数以及在伞衣截面坐标系中的几何关系，确定伞衣截面的纵切线长度函数；所述伞衣截面为通过伞衣中心对称线的截面，由半椭圆和梯形组成；所述伞衣截面坐标系是以所述半椭圆的长轴为r轴，以伞衣中心为原点，按照右手法则构建的；所述纵切线为与平行于纵坐标轴的线；当两伞碰撞时，根据两伞质心距离和几何关系，确定纵切线距离伞衣对称轴的距离；根据两伞接触面处的几何关系、纵切线距离伞衣对称轴距离以及伞衣截面纵切线高度函数，确定两伞接触面的高度与伞的外形参数以及距离伞衣对称轴距离之间的关系方程式；所述两伞接触面由半椭圆和梯形组成；根据预设约束条件，求解所述关系方程式，得到两伞接触面的高度；根据两伞接触面的几何关系和两伞接触面的高度，得到两伞接触面的面积。
17.法向接触力和摩擦力确定模块，用于根据所述两伞接触面的面积、预设接触静压以及预设接触面摩擦系数，得到法向接触力和摩擦力。
18.伞阻力面积损失确定模块，用于根据伞的外形参数、纵切线距离伞衣对称轴的距离以及预估的阻力面积，确定由于群伞接触导致的伞阻力面积损失。
19.上述群伞碰撞求解方法、装置、计算机设备和存储介质，所述方法通过建立群伞系统的多刚体模型，采用参数化的方法建立伞衣外形，将伞衣简化为一椭球面和锥面，这种简化方法既能保证计算结果和实际情况的接近程度，又不至于使得模型过于复杂降低计算效率；通过几何分析，仅利用伞的当期运动学信息和伞衣外形参数得到伞衣接触面积，根据伞衣接触面积确定群伞接触力、伞相对运动的摩擦力和由于群伞接触导致的伞阻力面积损失，与一般群伞飞行动力学模型兼容性好。本方法综合利用伞内动压和伞衣接触面积计算两伞间的碰撞力，解决了现有技术不考虑伞衣本身几何特性和伞内动压的问题。本方法用于数值仿真分析群伞系统在下落阶段的碰撞接触问题。
附图说明
20.图1为一个实施例中群伞碰撞求解方法的的流程示意图；
21.图2为一个实施例中群伞系统的多刚体模型；
22.图3为一个实施例中伞衣外形的参数化建模，其中(a)为伞衣截面的几何关系，(b)为伞衣截面坐标系；
23.图4为另一个实施例中两伞碰撞示意图，其中(a)为两伞接触面处的几何关系，(b)为两伞的接触面近似形状示意图，(c)为伞衣的投影面积减小示意图；
24.图5为另一个实施例中双伞系统初始状态示意图；
25.图6为一个实施例中仿真所用的双伞系统示意图；
26.图7为一个实施例中两伞接触面积随时间的变化曲线；
27.图8为一个实施例中群伞碰撞求解装置的结构框图；
28.图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
29.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
30.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种群伞碰撞求解方法，该方法包括以下步骤：
31.步骤100：采用多刚体建模方式建立群伞系统的飞行动力学模型。
32.具体的，将伞和舱均被视为刚体，伞绳力和舱吊带力用弹簧阻尼单元拟合，伞绳和吊带质量集中于伞绳和舱的汇交点，形成一集中质量点连接伞和舱的运动。群伞系统的多刚体模型如图2所示。
33.步骤102：对伞衣外形进行参数化简化，并根据简化后的伞衣外形参数以及在伞衣截面坐标系中的几何关系，确定伞衣截面的纵切线长度函数。
34.伞衣截面为通过伞衣中心对称线的截面，由半椭圆和梯形组成。
35.伞衣截面坐标系是以半椭圆的长轴为r轴，以伞衣中心为原点，按照右手法则构建的。
36.纵切线为与平行于纵坐标轴的线；
37.具体的，首先，对伞衣的外形进行参数化简化，通过伞衣中心对称线的截面称为伞衣截面，伞衣截面的几何关系如图3中(a)所示，伞衣截面的上半部分简化为长轴长度为d
p
、短轴半径长度为h
p-hk的椭圆的一；下半部分为一梯形，其上端长为d
p
，下端长为2r，高度为hk；其中d
p
代表参数化伞衣外形的最大投影直径。如图3中(b)所示，在伞衣截面建立伞衣截面坐标系，其以半椭圆的长轴为r轴，以伞衣中心为原点，按照右手法则构建，r代表距离伞衣对称轴的距离，距离伞衣对称为r的纵切线(平行于纵坐标轴)与伞衣相交的长度为h(r)。
38.步骤104：当两伞碰撞时，根据两伞质心距离和几何关系，确定纵切线距离伞衣对称轴的距离。
39.具体的，两伞碰撞的示意图如图4中(a)所示，其中o1和o2分别为伞1和伞2最大投影面与中心轴线的交点。在动力学仿真的任意时刻，o1和o2的距离d以通过程序计算得到，o1和c的距离与o2和c的距离均为已知的伞的外形参数，根据几何关系，可以得知r为：
[0040][0041]
步骤106：根据两伞接触面处的几何关系、纵切线距离伞衣对称轴距离以及伞衣截面纵切线高度函数，确定两伞接触面的高度与伞的外形参数以及距离伞衣对称轴距离之间的关系方程式。
[0042]
两伞接触面由半椭圆和梯形组成。
[0043]
具体的，两伞接触面处的几何关系如图4中(a)所示，并根据纵切线高度变化函数列出两伞接触面的高度与伞的外形参数以及距离伞衣对称轴距离之间的关系方程式。
[0044]
步骤108：根据预设约束条件，求解关系方程式，得到两伞接触面的高度。
[0045]
步骤110：根据两伞接触面的几何关系和两伞接触面的高度，得到两伞接触面的面积。
[0046]
步骤112：根据两伞接触面的面积、预设接触静压以及预设接触面摩擦系数，得到法向接触力和摩擦力。
[0047]
具体的，模型假设接触面上的正压力作用于接触面形心，方向与伞接触面法向相反，接触面上的摩擦力平行于接触面法向，方向与伞的相对运动方向相反。法向接触力和摩擦力的大小分别为
[0048]fn
＝ps
[0049]ff
＝μfn[0050]
其中，fn为法向接触力，ff为摩擦力，s为两伞接触面的面积，p为接触面静压，μ为接触面摩擦系数。
[0051]
步骤114：根据伞的外形参数、纵切线距离伞衣对称轴的距离以及预估的阻力面积，确定由于群伞接触导致的伞阻力面积损失。
[0052]
上述群伞碰撞求解方法中，所述方法通过建立群伞系统的多刚体模型，采用参数化的方法建立伞衣外形，将伞衣简化为一椭球面和锥面，这种简化方法既能保证计算结果和实际情况的接近程度，又不至于使得模型过于复杂降低计算效率；通过几何分析，仅利用伞的当期运动学信息和伞衣外形参数得到伞衣接触面积，根据伞衣接触面积确定群伞接触力、伞相对运动的摩擦力和由于群伞接触导致的伞阻力面积损失，与一般群伞飞行动力学模型兼容性好。本方法综合利用伞内动压和伞衣接触面积计算两伞间的碰撞力，解决了现有技术不考虑伞衣本身几何特性和伞内动压的问题。本方法用于数值仿真分析群伞系统在下落阶段的碰撞接触问题。
[0053]
在其中一个实施例中，步骤100包括：将伞和舱均被视为刚体，伞绳力和舱吊带力用弹簧阻尼单元拟合，伞绳和吊带质量集中于伞绳和舱的汇交点，得到群伞系统的飞行动力学模型。
[0054]
在其中一个实施例中，步骤102中伞衣截面的纵切线长度函数为：
[0055][0056]
其中：r代表伞衣截面坐标系中纵切线距离伞衣对称轴的距离；h(r)代表距离伞衣对称轴距离为r的纵切线与伞衣相交的长度，d
p
代表伞衣外形最大投影直径，h
p-hk代表伞截面的上半部分半椭圆的短轴半径，2r和hk分别代表下半部分梯形的下底长度和高度。
[0057]
在其中一个实施例中，步骤106中两伞接触面的高度与伞的外形参数以及距离伞衣对称轴距离之间的关系方程式为：
[0058]
[0059]
其中：h(
·
)代表伞衣截面的纵切线高度函数，l代表两伞接触面的高度，r代表纵切线距离伞衣对称轴距离，代表伞1和伞2最大投影面与中心轴线的交点和交汇点形成的以交汇点为顶点的角的一半，hk代表两伞接触面的梯形部分的高度。
[0060]
具体的，由于已知伞衣截面纵切线高度函数h(r)，如图4中(a)右侧所示，可以根据纵切线高度变化函数列出两伞接触面的高度与伞的外形参数以及距离伞衣对称轴距离之间的关系方程式。
[0061]
在其中一个实施例中，步骤108包括：将关系方程式表示为两伞接触面的高度的函数，函数表达式为：
[0062][0063]
当满足所述关系方程式时f(l)＝0；
[0064]
根据两伞接触面处的几何关系，得到
[0065]
当夹角较小时，l＝h(r)，返回l；否则，设置判定的截断误差ε，采用二分法求解所述关系方程式的具体步骤包括：
[0066]
步骤1：设置a＝0，
[0067]
步骤2：如果|a-b|＜ε，则l＝(a+b)/2，返回l，否则继续步骤3；
[0068]
步骤3：如果f((a+b)/2)＜0，则令b＝(a+b)/2，否则，令a＝(a+b)/2；回到步骤2。
[0069]
在其中一个实施例中，步骤110包括：将两伞接触面近似半椭圆和梯形，根据伞的外形参数、纵切线距离伞衣对称轴距离和两伞接触面的几何关系，得到梯形上端长度和下端长度；根据两伞接触面的高度、两伞接触面的梯形部分的高度计算上半部半椭圆面积和下半部梯形面积，将上半部半椭圆面积和下半部梯形面积加和，得到两伞接触面的面积；两伞接触面的面积计算公式为：
[0070][0071]
其中：s代表两伞接触面的面积，h1代表两伞接触面的梯形部分的高度，l代表两伞接触面的高度，d1、d2分别代表梯形下端长度和上端长度，其代表式分别为：其中r代表纵切线距离伞衣对称轴距离，r代表下半部分梯形的下端长的一半，hk代表两伞接触面的梯形部分的高度，代表两伞中心对称轴线夹角的一半，d
p
代表参数化伞衣外形的最大投影直径。
[0072]
具体的，两伞的接触面同样近似为半椭圆和锥面组成，如图4中(b)所示。根据如图4中(c)所示的几何关系，容易得到d2，同理可以得到d1。于是两伞间的接触面积就可以计算为图4的(b)中椭圆和梯形面积之和。
[0073]
在其中一个实施例中，步骤114包括：根据伞的外形参数和纵切线距离伞衣对称轴的距离，确定阻力面积衰减因子，阻力面积衰减因子的计算公式为：
[0074][0075]
其中：η代表阻力面积衰减因子，d2代表两伞接触面的下半部梯形的上端长度，r代表纵切线距离伞衣对称轴距离。
[0076]
将预估的阻力面积和表阻力面积衰减因子相乘，得到考虑碰撞遮挡后的阻力面积；根据预估的阻力面积和考虑碰撞遮挡后的阻力面积，得到由于群伞接触导致的伞阻力面积损失。
[0077]
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0078]
本发明已经经过数值模拟验证，程序运行高效，计算结果稳定。对初始状态如图5所示的双伞系统，通过仿真可准确预测两伞间的接触面积和接触力曲线，两伞接触面积随时间的变化曲线如图6所示，曲线两伞接触力随时间的变化曲线如图7所示。
[0079]
在一个实施例中，如图8所示，提供了一种群伞碰撞求解装置，包括：构建群伞系统的飞行动力学模型模块、两伞接触面的面积确定模块、法向接触力和摩擦力确定模块和伞阻力面积损失确定模块，其中：
[0080]
构建群伞系统的飞行动力学模型模块，用于采用多刚体建模方式建立群伞系统的飞行动力学模型。
[0081]
两伞接触面的面积确定模块，用于对伞衣外形进行参数化简化，并根据简化后的伞衣外形参数以及在伞衣截面坐标系中的几何关系，确定伞衣截面的纵切线长度函数；伞衣截面为通过伞衣中心对称线的截面，由半椭圆和梯形组成；伞衣截面坐标系是以半椭圆的长轴为r轴，以伞衣中心为原点，按照右手法则构建的；纵切线为与平行于纵坐标轴的线；当两伞碰撞时，根据两伞质心距离和几何关系，确定纵切线距离伞衣对称轴的距离；根据两伞接触面处的几何关系、纵切线距离伞衣对称轴距离以及伞衣截面纵切线高度函数，确定两伞接触面的高度与伞的外形参数以及距离伞衣对称轴距离之间的关系方程式；两伞接触面由半椭圆和梯形组成；根据预设约束条件，求解关系方程式，得到两伞接触面的高度；根据两伞接触面的几何关系和两伞接触面的高度，得到两伞接触面的面积。
[0082]
法向接触力和摩擦力确定模块，用于根据两伞接触面的面积、预设接触静压以及预设接触面摩擦系数，得到法向接触力和摩擦力。
[0083]
伞阻力面积损失确定模块，用于根据伞的外形参数、纵切线距离伞衣对称轴的距离以及预估的阻力面积，确定由于群伞接触导致的伞阻力面积损失。
[0084]
在其中一个实施例中，构建群伞系统的飞行动力学模型模块，还用于将伞和舱均被视为刚体，伞绳力和舱吊带力用弹簧阻尼单元拟合，伞绳和吊带质量集中于伞绳和舱的汇交点，得到群伞系统的飞行动力学模型。
[0085]
在其中一个实施例中，两伞接触面的面积确定模块中伞衣截面的纵切线长度函数为：
[0086][0087]
其中：r代表伞衣截面坐标系中纵切线距离伞衣对称轴的距离；h(r)代表距离伞衣对称轴距离为r的纵切线与伞衣相交的长度，d
p
代表伞衣外形最大投影直径，h
p-hk代表伞截面的上半部分半椭圆的短轴半径，2r和hk分别代表下半部分梯形的下底长度和高度。
[0088]
在其中一个实施例中，两伞接触面的面积确定模块中两伞接触面的高度与伞的外形参数以及距离伞衣对称轴距离之间的关系方程式为：
[0089][0090]
其中：h(
·
)代表伞衣截面的纵切线高度函数，l代表两伞接触面的高度，r代表纵切线距离伞衣对称轴距离，代表伞1和伞2最大投影面与中心轴线的交点和交汇点形成的以交汇点为顶点的角的一半，hk代表两伞接触面的梯形部分的高度。
[0091]
在其中一个实施例中，两伞接触面的面积确定模块，还用于将关系方程式表示为两伞接触面的高度的函数，函数表达式为：
[0092][0093]
当满足所述关系方程式时f(l)＝0；
[0094]
根据两伞接触面处的几何关系，得到
[0095]
当夹角较小时，l＝h(r)，返回l；否则，设置判定的截断误差ε，采用二分法求解所述关系方程式的具体步骤包括：
[0096]
步骤1：设置a＝0，
[0097]
步骤2：如果|a-b|＜ε，则l＝(a+b)/2，返回l，否则继续步骤3；
[0098]
步骤3：如果f((a+b)/2)＜0，则令b＝(a+b)/2，否则，令a＝(a+b)/2；回到步骤2。
[0099]
在其中一个实施例中，两伞接触面的面积确定模块，还用于将两伞接触面近似半椭圆和梯形，根据伞的外形参数、纵切线距离伞衣对称轴距离和两伞接触面的几何关系，得到梯形上端长度和下端长度；根据两伞接触面的高度、两伞接触面的梯形部分的高度计算上半部半椭圆面积和下半部梯形面积，将上半部半椭圆面积和下半部梯形面积加和，得到两伞接触面的面积；两伞接触面的面积计算公式为：
[0100][0101]
其中：s代表两伞接触面的面积，h1代表两伞接触面的梯形部分的高度，l代表两伞
接触面的高度，d1、d2分别代表梯形下端长度和上端长度，其代表式分别为：其中r代表纵切线距离伞衣对称轴距离，r代表下半部分梯形的下端长的一半，hk代表两伞接触面的梯形部分的高度，代表两伞中心对称轴线夹角的一半，d
p
代表参数化伞衣外形的最大投影直径。
[0102]
在其中一个实施例中，伞阻力面积损失确定模块，还用于根据伞的外形参数和纵切线距离伞衣对称轴的距离，确定阻力面积衰减因子，阻力面积衰减因子的计算公式为：
[0103][0104]
其中：η代表阻力面积衰减因子，d2代表两伞接触面的下半部梯形的上端长度，r代表纵切线距离伞衣对称轴距离。
[0105]
将预估的阻力面积和表阻力面积衰减因子相乘，得到考虑碰撞遮挡后的阻力面积；根据预估的阻力面积和考虑碰撞遮挡后的阻力面积，得到由于群伞接触导致的伞阻力面积损失。
[0106]
关于群伞碰撞求解装置的具体限定可以参见上文中对于群伞碰撞求解方法的限定，在此不再赘述。上述群伞碰撞求解装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0107]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种群伞碰撞求解方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0108]
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0109]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述方法实施例中的步骤。
[0110]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例中的步骤。
[0111]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机
可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0112]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0113]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。