翼傘測控系統的設計與實驗

王松松，趙敏，李宇輝

(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211106)

0 引言

目前廣泛使用的翼傘操縱方法是用下拉翼傘兩側的操縱繩來改變其后緣下偏角[1-3]，利用翼傘后緣下偏角的變化改變翼傘的偏航角，從而實現翼傘飛行方向的控制[4-6]。根據該原理可以設計翼傘控制系統，同時可以在系統中安裝各類傳感器采集飛行過程中的數據。需要注意的是在翼傘空投測控系統的設計過程中，要充分考慮到系統的著陸抗沖擊性、穩定性、操縱效率等問題[7-8]。

基于翼傘空投系統進行實際空投實驗，通過分析實驗獲取的數據可以得到翼傘的飛行軌跡、操縱繩受力大小等。在這些數據的基礎上，可以進一步計算得到翼傘的轉彎半徑、實際滑翔比等結果，從而給下一步的實現翼傘自主歸航提供數據支持。

1 翼傘空投測控系統的設計

1.1 整體設計方案

翼傘空投測控系統主要由地面站和傘載設備兩個部分組成。傘載設備懸掛于翼傘下，其中裝有伺服電機和各類傳感器，用于控制翼傘的飛行并采集翼傘飛行時的數據；地面站主要由工業計算機和電臺組成，其用于發送控制指令以及顯示翼傘飛行狀態。地面站與傘載設備之間通過電臺通信，地面站給傘載設備實時發送控制信號，傘載設備則根據接收到的指令控制電機運轉，電機拉動左右操縱繩控制翼傘飛行方向，同時傘載設備還會將采集到的數據實時傳輸回地面站。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構

1.2 傘載設備的優化設計

傘載設備由圖2中的電氣箱與底架組成，最上方為降落傘傘包，設備被扔出機艙后傘包自動打開；電氣箱中安裝核心元器件；最下方的底架則起到著陸緩沖的作用，減小系統著陸時電氣箱內部核心元器件受到的沖擊力。為了提高系統的抗沖擊能力，核心元器件均通過緩沖彈簧安裝于電氣箱內部，并且在電氣箱與底架之間也安裝了避震彈簧。

圖2 傘載設備照片

2 翼傘控制方案的設計

翼傘的控制方案設計中，控制量的大小尤為重要。為了操縱的方便性同時又能有效地起到控制作用，控制量一共分為大小兩檔，每個檔位的操縱繩下拉量可由舵機模型計算得到。實驗中使用的翼傘大致展長為8 m、弦長為3 m、傘體相對厚度為0.2 m，將其代入舵機模型中可以得到操縱繩下拉長度與翼傘后緣下偏角之間的關系，舵機模型公式如下：

根據上式計算結果，同時考慮到翼傘操縱繩的最大下拉量為0.9 m，并且單側下拉量過小時起不到改變翼傘后緣下偏角大小的作用等因素，最后設計出如表1所示的操縱繩下拉量表。

表1 操縱繩下拉量 單位：m

3 空投實驗結果分析

3.1 翼傘飛行軌跡

實驗過程主要是將翼傘從飛機上拋出后讓其平穩飛行一段時間，之后發出控制指令操縱其轉彎并盤旋削高。通過解析傘載設備中記錄的GPS信息可以還原整個飛行過程，得到的飛行軌跡如圖3所示。

圖3 翼傘三維飛行軌跡圖

從圖3中可以看出，飛行高度為500 m左右時，翼傘被拋出飛機艙門，扔出后翼傘平穩飛行，飛行一段時間后接收到轉彎的控制指令便開始盤旋削高。因而整個飛行過程大體分為3段，分別為自由落體段、平穩飛行段和盤旋削高段，解析得到的軌跡與實驗中翼傘的實際飛行過程完全對應。

3.2 翼傘飛行控制量

整個實驗過程中的控制量如圖4所示。從圖中可以看出，在采樣點為2 500左右時，由于采樣頻率為50 Hz，也就是翼傘飛行約為50 s之后翼傘開始轉彎，左操縱繩下拉至0.9 m，右操縱繩下拉至0.3 m，整個盤旋削高過程中左右操縱繩一直保持該下拉量，直到翼傘落地之后收回。

圖4 傘繩操縱量曲線圖

電機的輸出力與電流成正比，因此利用電機的實時電流大小與電機的標稱轉矩可以計算得到電機的輸出力大小，其計算公式如下：

式中：I為電機中的實時電流，A；T為電機標稱轉矩，Nm；K為電機減速比；R為輸出軸半徑，m；F為電機實時輸出力的大小，N。

在利用上式計算操縱力時要注意電機輸出軸半徑為一個變化量，隨著電機輸出軸的轉動，其上傘繩的纏繞長度增加，實際的輸出軸半徑也隨著增大。因此，為了準確計算電機的輸出力，程序中采用了查表法獲取輸出軸半徑大小，即根據電機輸出軸所轉圈數查找對應的實際半徑大小，具體的輸出軸半徑如表2所示。

表2 電機輸出軸實際半徑 單位：m

根據上述計算過程可以得到如圖5所示的翼傘左右操縱繩受力曲線圖。

圖5 操縱繩受力曲線圖

3.3 翼傘盤旋半徑

傘載設備中記錄了翼傘飛行的GPS信息，因而在計算盤旋半徑時需要將GPS位置信息轉換為距離信息，兩點之間的經緯度差與其距離之間的轉換公式如下：

D=arccos(sin(Lat1)sin(Lat2)+

cos(Lat1)cos(Lat2)cos(Lon1-Lon2))R

式中：(Lon1,Lat1)和(Lon2,Lat2)分別為兩個點的經、緯度坐標；R為地球平均半徑，km；D為兩點之間的距離，km。

翼傘的實際盤旋軌跡如圖6所示。從圖中可以看出，整個盤旋過程中翼傘一共旋轉了2圈，并基于上述距離計算公式可得第1圈的半徑約為8.9 m，第2圈的轉彎半徑約為5.5 m，對應的傘繩操縱量為左傘繩下拉0.9 m，右傘繩下拉0.3 m。

圖6 翼傘盤旋段軌跡二維投影圖

3.4 翼傘滑降比

基于上述實驗數據還可以分析得翼傘在平穩飛行時的飛行距離約為256.6 m，在該飛行距離下翼傘下降了約168.7 m，根據下式可計算得到翼傘的實際滑降比大小約為1.5。

式中：L為翼傘水平飛行距離，m；H為對應的下降高度，m。

4 結語

本文主要完成的工作如下：

1)設計了一套翼傘空投測控系統，其可以同時實現翼傘的飛行控制與飛行數據的采集；

2)通過實驗得到了翼傘實際的飛行軌跡、飛行過程中操縱繩的控制量以及受力大小，并計算出了具體的翼傘盤旋半徑以及實際滑翔比。