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变构型陆空平台动态起降轨迹规划研究

魏巍 范康迪 王若琳 赵默雷 赵之然 王剑峰

魏巍, 范康迪, 王若琳, 赵默雷, 赵之然, 王剑峰. 变构型陆空平台动态起降轨迹规划研究[J]. 机械工程学报, 2022, 42(7): 682-687. doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2021.325
引用本文: 魏巍, 范康迪, 王若琳, 赵默雷, 赵之然, 王剑峰. 变构型陆空平台动态起降轨迹规划研究[J]. 机械工程学报, 2022, 42(7): 682-687. doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2021.325
WEI Wei, FAN Kangdi, WANG Ruolin, ZHAO Molei, ZHAO Zhiran, WANG Jianfeng. Trajectory Planning of Dynamic Take-off and Landing of Deformable Aerial-Ground Platform[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2022, 42(7): 682-687. doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2021.325
Citation: WEI Wei, FAN Kangdi, WANG Ruolin, ZHAO Molei, ZHAO Zhiran, WANG Jianfeng. Trajectory Planning of Dynamic Take-off and Landing of Deformable Aerial-Ground Platform[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2022, 42(7): 682-687. doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2021.325

变构型陆空平台动态起降轨迹规划研究

doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2021.325
基金项目: 国家重点研发计划(2020YFC1512500)
详细信息
    作者简介:

    魏巍(1978—),男,博士,教授,E-mail:weiweibit@bit.edu.cn

  • 中图分类号: TP242

Trajectory Planning of Dynamic Take-off and Landing of Deformable Aerial-Ground Platform

  • 摘要: 陆空平台具有多域机动能力,通过陆空模式的转换能够适应各种复杂环境,但陆空模式转换多为静止起飞或悬停下降,这种静态起降方式不利于陆空平台机动性的充分发挥. 针对一种动力机构可偏转的变构型陆空两栖平台,基于牛顿-欧拉方程建立陆空平台的飞行动力学模型,规划偏转角的时间序列以获得动态动力学约束,确定相对时间最优目标函数;基于5次多项式拟合二维平面轨迹,根据PID控制方法设计轨迹跟踪控制器,并进行轨迹规划和控制仿真. 结果表明,动态切换时间相比静态切换时间缩短了23.02%,动态切换规划轨迹平滑,高度方向无超调,控制器能较好地跟踪目标飞行轨迹.

     

  • 图  变构型陆空平台示意图

    Figure  1.  Schematic of deformable aerial-ground platform

    图  坐标系

    Figure  2.  Coordinate system

    图  随偏转角变化的转动惯量曲线

    Figure  3.  Moment of inertia curve varying with deflection angle

    图  陆空动态切换与静态切换示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of dynamic and static switching between land and air

    图  轨迹规划流程图

    Figure  5.  Trajectory planning flowchart

    图  Jxh变化的关系图

    Figure  6.  The relationship diagram of J with x and h

    图  飞行路径

    Figure  7.  Flight path

    图  动态切换时z向加速度曲线

    Figure  8.  z-direction acceleration curve during dynamic switching

    图  轨迹跟踪控制框图

    Figure  9.  Trajectory tracking control block diagram

    图  10  PID轨迹跟踪控制

    Figure  10.  PID trajectory tracking control

    表  1  关键参数

    Table  1.   Key parameters

    参数数值
    $ m $/kg1.4
    $ g $/(m·s−2)9.8
    ${c_{\rm{T}}}$1.105×10−5
    ${c_{\rm{M}} }$3.558×10−7
    $ {x_{\max }} $/m50
    $ {v_x} $/(m·s−1)1
    $ \alpha (t = 0) $/(°)30
    $ p $3
    ${a_{\textit{z}\max } }$/(m·s−2)0.2g
    ${v_{\textit{z}\max } }$/(m·s−1)2
    $a_{x\min }'$/(m·s−2)−5
    ${t_{{\rm{j}}2} }$/s0.1
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    表  2  仿真结果

    Table  2.   Simulation results

    参数数值
    静态切换时间/s0.93
    动态切换时间/s0.6
    目标函数$ J $/%35.73
    $ x $/m0.6
    $ h $/m0.1
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    表  3  h=1.5 m时的仿真结果

    Table  3.   Simulation results when h=1.5 m

    切换方式静态切换动态切换
    时间/s3.122.4
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    表  4  控制器参数

    Table  4.   Controller parameters

    姿态控制器参数数值位置控制器参数数值
    ${k_{\rm{P} } }\_Pitch\_Angle$6.5${k_{\rm{P} } }\_x$1.2
    ${k_{\rm{P} } }\_Pitch\_AngleRate$0.1${k_{\rm{P} } }\_{v_x}$0.2
    ${k_{\rm{I} } }\_Pitch\_AngleRate$0.02${k_{\rm{I} } }\_{v_x}$0.01
    ${k_{\rm{D} } }\_Pitch\_AngleRate$0.001${k_{\rm{D} } }\_{v_x}$0.01
    ${k_{\rm{P} } }\_Roll\_Angle$6.5${k_{\rm{P} } }\_y$1.2
    ${k_{\rm{P} } }\_Roll\_AngleRate$0.1${k_{\rm{P} } }\_{v_y}$1.5
    ${k_{\rm{I} } }\_Roll\_AngleRate$0.02${k_{\rm{I} } }\_{v_y}$0.4
    ${k_{\rm{D} } }\_Roll\_AngleRate$0.001${k_{\rm{D} } }\_{v_y}$0.01
    ${k_{\rm{P} } }\_Yaw\_Angle$4${k_{\rm{P} } }\_ {\textit{z} }$4
    ${k_{\rm{P} } }\_Yaw\_AngleRate$0.3${k_{\rm{P} } }\_{v_ {\textit{z} } }$12
    ${k_{\rm{I} } }\_Yaw\_AngleRatetete$0.01${k_{\rm{I} } }\_{v_{\textit{z} } }$4
    ${k_{\rm{D} } }\_Yaw\_AngleRate$0${k_{\rm{D} } }\_{v_{\textit{z} } }$2.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-30
  • 录用日期:  2022-03-07
  • 刊出日期:  2022-08-17

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