绳索平流层飞行器动力学建模与仿真

摘要

研究了超压气球平台以及对其利用不同海拔之间的风速差进行轨迹控制的方法，对超压气球、绳索以及系缆轨迹控制系统三者组成的绳索平流层飞行器进行了动力学分析与建模，针对整个飞行系统的特点提出了一种平衡点估算的方法，对建立的非线性数学模型采用Matlab/Simulink进行了动态仿真，并提出了可行的线性化方法。全文的主要内容如下： 研究了平流层平台的发展简况以及各国平流层平台研究现状，分析了平流层气球平台及对其进行轨迹控制的研究意义，并对超压气球、绳索以及系缆轨迹控制系统组成的绳索平流层飞行器进行了概述，对该飞行系统建模中存在的难点问题进行了扼要分析。研究了绳索连接多物体系统常采用的拉格朗日方程动力学建模法，分析了其在本飞行系统建模应用中的局限性，提出了本系统适用的建模法。从整体上分析了该飞行系统的特点，采用“质量集中-弹性绳”模型，将超压气球和系缆轨迹控制系统也看作绳节点。然后根据各部件的动力学特性分别建立数学模型，各部件之间通过“接口”进行综合。定义了飞行系统的平衡点，分析了平衡点估算的难点，并针对该飞行系统的特点，提出了一种可行的通过趋势线估算整个系统平衡点的方法，对任意多的绳分段数均适用。分析了飞行系统各部件之间互相影响的“接口”，将飞行系统各部件合理地进行封装，为建立的数学模型搭建了Matlab/Simulink仿真框图，进行了动态仿真。该方法也对任意多的绳分段数均适用。最后，本文将原先建立的大气密度与风速模型进行了适当的简化，并在此基础上提出了本飞行系统适用的线性化方法，为将来控制策略的研究作了准备。