翼伞系统是利用冲压型翼伞提供升力的一类特殊的柔翼飞行器,具有良好的滑翔性与操控性,因而在军事、民用、航空航天等领域有着广泛的应用前景。翼伞系统的精确建模和控制,涉及到数学、力学、计算机、控制等多个领域和学科,是一项极富挑战性的工作。本文以实现翼伞系统在风雨复杂环境下的建模和精确归航为目的,采用理论分析、数值仿真和空投实验相结合的方法,对翼伞系统动力学、归航轨迹规划和轨迹跟踪控制问题进行了深入研究。文章的主要创新工作如下:(1)采用计算流体动力学技术模拟翼伞在风雨复杂环境中飞行,通过网格速度模拟风场,多相流模拟降雨,动网格动态捕捉翼伞姿态,分析风雨环境因素翼伞气动性能的影响。在翼伞气动方程中引入雨膜影响因子、风雨荷载以及风雨等效作用点,建立翼伞系统在风雨复杂环境下的八自由度动力学模型。仿真实验研究风雨复杂环境下翼伞系统的动力学特性,空投实验进一步验证所建立模型的有效性。(2)将翼伞系统最优归航轨迹规划问题归纳为一类标准的最优控制问题。经过归一化、控制率参数化等一系列解前处理,针对问题的求解,采用两种方法来处理。第一种方法是将该问题归纳为一类具有约束的最优控制问题,采用一种具有精英策略的遗传算法进行轨迹寻优。第二种方法是将此问题视为一类多目标规划问题,采用基于帕累托解的带精英策略的非劣排序遗传算法来求解。仿真实验验证两种方法的可行性。(3)将经典翼伞空投系统分段归航轨迹设计方法扩展到动力翼伞系统中,提出一套翼伞系统在可行性区域和不可行性区域的都可实现精确归航的分段归航轨迹规划方法。将整个归航轨迹按照不同的阶段和特点进行分段,根据最终着陆的要求对各阶段的参数采用改进的量子遗传算法进行优化。仿真实验验证分段归航轨迹规划方法的可行性。(4)首先借鉴基于制导的轨迹跟踪概念,提出针对翼伞空投系统的二维轨迹跟踪策略和适用于动力翼伞系统的三维轨迹跟踪策略。然后据此设计基于自抗扰控制的横向轨迹跟踪控制器和针对动力翼伞系统的纵向高度控制器,并证明了控制系统的收敛性。此外,引入蒙特卡洛技术分析复杂环境干扰和模型参数不确定时的系统鲁棒性。最后,通过仿真分析了对翼伞系统在复杂多干扰环境下的轨迹跟踪性能,并通过空投实验验证翼伞空投系统轨迹跟踪控制策略的有效性。(5)将翼伞系统的定点归航问题视为一个完整的任务,归航即控制翼伞系统跟踪规划好的归航轨迹实现定点归航和迎风雀降着陆。针对动力翼伞系统在任意空域的定点归航,提出一套动力翼伞系统在可行区域和不可行区域的任意空域范围内都可胜任定点归航任务的控制方法。针对翼伞空投系统在较大风场中的定点归航问题,提出翼伞空投系统在较大风场中的归航控制方法,有效提高翼伞空投系统在较大风场环境下的抗风性能和归航精度。针对翼伞空投系统在未知风场中的定点归航,提出一种仅利用GPS数据进行风场辨识的方法,基于辨识风场信息规划归航轨迹,实现翼伞空投系统在未知风场环境下的精确定点归航。