无人机空中加油自主会合导引律研究

针对自主空中加油技术中的会和阶段的理论研究,提出一种带有终端偏航角约束的导引问题。通过对三维空间中重新设计偏置项,来同时约束俯仰与偏航角,将期望的会合点作为跟踪目标,并在制导末端结合纯追踪法,实现终端航向的控制。最后,以匀速直线运动和作U型机动的加油机为例,对无人机（UAV）选取不同的初始位置和航向来检验所提出的制导律实现会合的能力。仿真结果表明,所设计的自主会合制导律有效实现无人机空中加油自主会合,解决了现有一类自主会合制导律设计复杂、需预先已知加油机轨迹及大量在线规划计算的问题。     

加装空中加油状态下的受油机飞行控制律设计研究

为了克服受油飞机飞行控制系统本身复杂性以及加油机干扰气流带来的影响,根据空中加油对受油飞机的要求,结合神经网络和增益调度控制,对某型飞机飞行控制系统加装空中加油状态控制律的设计进行研究。数值仿真结果表明,经过重新设计的受油机飞行控制系统,在空中加油状态下,飞机稳定性增加,并且能在规定范围内稳定地改变和保持姿态角,从而来跟踪加油机的姿态变化。     

空中加油视景仿真系统的研究与实现

硬式空中加油技术目前还处在研究阶段,加油杆与受油机之间的对接试验主要在室内通过机械手等方式固定在地面上研究,试验人员不能在三维空间内对加油机和受油机的状态有一个直观的感受。为了配合空中加油系统的研究,以＂硬式加油空中对准半物理仿真＂为应用背景,论述了在空中加油系统内加入三维视景部分。该系统使用了Creator中的LOD,DOF等技术建立了逼真的加油杆和受油机模型,并在MFC中调用Vega的API函数控制加油杆的伸缩、转动等动作,实时动态地模拟空中加油的全过程,仿真效果理想,并提出未来改进的方向。     

采用单目视觉的无人机自动空中加油仿真

自动空中加油是未来无人机(UAV)需具备的重要能力之一。建立了包括UAV和加油机模型、视觉传感器、气动影响及视景的飞行硬管式无人机自动空中加油仿真系统;研究了单目视觉特征点识别与位姿估计算法,考虑大气扰动及加油机尾流的影响;设计了通过轨迹跟踪实现UAV与加油管会合对接的控制策略,并对加油末段的对接机动进行了仿真。结果表明,单目视觉可实现精确的相对位置测量,轨迹跟踪控制器超调量小,保证了自动空中加油的平稳对接。     

基于FasterR-CNN算法的自主空中加油锥套识别

随着无人机技术的发展,自主空中加油技术增加了无人机飞行半径和有效载荷,提升了无人机的作战效能。本文针对复杂环境下无人机软管式空中加油的精确引导技术,在无人机自主空中加油近距离对接阶段过程中,对油机锥套识别这个关键环节展开研究。利用深度学习和图形处理,提出一种基于 Caffe 框架的 Faster R-CNN 神经网络深度学习的新方法。为了保证该方法的鲁棒性和广泛应用,采用软管式空中加油的真实数据,制作了一个图像的深度学习数据集。 根据实验数据验证了基于 Caffe 框架的 Faster R-CNN 锥套识别算法的鲁棒性和识别精度,并通过对比实验证明了在复杂的无人机加受油环境中,该识别算法也具有较好的锥套识别能力。     

空中加油软管-锥套动态建模与仿真

利用有限元分析法建立加油机流场下的加油软管动态模型,利用该模型分析加油机不同飞行条件下的软管-锥套平衡拖拽尾迹。利用牛顿运动定律建立软管-锥套的运动方程,分析软管的气动载荷。对第一段软管的运动施加约束建立变长度的软管-锥套模型。在Matlab/Simulink仿真平台下搭建模型,分析加油机平飞、爬升、下滑状态下的软管-锥套动态特性。仿真结果与国内外公开的试飞数据相吻合,验证了模型的正确性。所建模型来可用于有人机空中加油训练模拟和无人机自主空中加油仿真等。     

空空导弹的神经网络自适应终端滑模末制导律

主要研究空空导弹的末制导问题。简单研究了三维比例导引律,基于Terminal滑模控制方法提出一种新型的三维末制导律,并分析了它的不足,在此基础上进行改进,从而提出基于RBF神经网络的自适应快速终端滑模(AFTSM)制导律。该制导律在非线性系统的精确模型未知的情况下,通过RBF神经网络对非线性模型进行逼近,并根据Lyapunov方法设计了参数自适应律。最后对所研究的导引律在目标机动情况下进行仿真验证,仿真结果表明,该制导律与比例制导相比有较大的性能改善。     

无人机空中加油过程中编队飞行控制

针对空中加油中无人机位置保持问题,进行了时变质量UAV的动力学建模与非线性控制设计。综合考虑了燃油传输对UAV的质量、惯性矩阵和质心位置的影响,基于相对于惯性系的状态变量,推导了UAV时变质量动力学方程。分析燃油传输带来的动力学影响,并设计神经网络动态逆控制律来实现UAV的位置保持,通过非线性仿真验证了控制律的有效性。     

拦截空天高速机动目标的三维非线性导引律

为拦截空间高速机动目标,建立了考虑自动驾驶仪动态特性的三维耦合制导模型。针对模型的强非线性和不确定性,设计了考虑导弹动态特性和目标机动的三维非线性导引律;然后利用扩张观测器估计目标机动加速度。仿真表明扩张观测器在有噪声干扰的情况下性能优于滑模微分器。将扩张观测器估计的目标机动加速度补偿到导引律中,形成三维非线性导引律。在拦截高速机动目标时,所设计的导引律相比于增广比例导引律和其他两种非线性三维导引律有较好的导引性能。     

大气层内拦截机动目标的变结构末制导律设计

针对大气层内的机动战术弹道导弹拦截,提出了一种具有强鲁棒性的变结构末制导律。首先,在纵向平面内建立了导弹与目标相对运动的非线性模型;然后根据预测导引的原理推导了制导方程,并选取制导误差作为滑动模态,将目标机动量视为扰动量,设计一种能够拦截螺旋机动目标的变结构末制导律,并通过Lyapunov稳定性定理确定变结构制导参数的范围。最后,通过与比例导引律进行仿真比较,结果表明该制导律对螺旋机动弹道目标具有较强的鲁棒性,且制导精度较高,验证了制导律的正确性和有效性。     

自主空中加油视觉导航系统中的锥套检测算法

在软管式自主空中加油视觉相对导航系统中实现锥套的准确检测至关重要,由于加油机尾流及气流的影响,做随机运动的锥套区域的准确检测是具有一项挑战性的任务。将加油机锥套检测考虑为运动目标检测问题,提出了一种多尺度低秩和稀疏分解锥套检测算法。首先,对锥套图像序列进行平稳小波分解,得到多尺度低频图像序列;再将较粗尺度低频图像序列获得的目标作为下一较细尺度低频图像序列的目标可信图,再进行该尺度的低秩和稀疏分解获得稀疏项,即目标锥套区域。通过在真实加油机锥套图像数据上的实验结果表明,所提算法在进行锥套检测时是有效的。     

硬式空中加油未对接系统建模与仿真

以硬式空中加油未对接系统为对象,考虑了加油机与伸缩管之间的相互作用,运用多体系统动力学中的牛顿-欧拉法对其进行建模。通过分析加油机与伸缩管间的运动约束,求解约束力与约束力矩,得到完整的系统模型。对所建模型进行仿真,仿真结果表明加油机的运动对伸缩管影响较大,证实了考虑管机相互作用的必要性;伸缩管的姿态运动是稳定的,但动态特性较差,并存在纵向与横侧向运动的耦合现象。     

自适应模板匹配在自主空中加油跟踪中的应用

自主空中加油技术越来越重要,在软管加油的对接阶段,运用模板匹配跟踪技术对目标进行跟踪。本文利用直方图均衡化、形态学算法和边缘轮廓提取得到初始模板;然后利用归一化相关匹配法对模板进行匹配,同时利用归一化相关值作为参考,判断是否对模板进行更新,从而得到自适应模板;为了缩小匹配时的搜索范围,加入了轨迹跟踪的算法,大大节省了运算时间。通过仿真实验显示,该算法切实可行。     

非合作式自主交会对接的自适应鲁棒控制

研究非合作式自主交会对接的近距离接近问题,以一个翻转卫星的平面追踪问题为例子,用交会对接过程中外界干扰的估计值构造能量函数,根据Lyapunov稳定判据提出一种自适应鲁棒控制率。最后进行的数字仿真验证了该控制率是可行的,并且满足非合作式自主交会对接的高精度和抗干扰的要求。     

自动空中加油杆LQR控制器设计

针对硬式空中加油过程中加油杆在外界干扰下可能存在不稳定的问题,本文提出了一种线性二次型最优控制方法。首先建立加油杆的数学模型,推算出其状态空间方程,然后设计相应的控制律并搭建simulink仿真模块。仿真结果表明,加入线性二次型最优控制的反馈单元后,飞机的俯仰角和滚转角很快收敛为0,系统响应稳定。