高空无人机自动加油对接过程轨迹控制研究

针对无人机在高空自动加油对接过程中容易出现偏差的问题,提出了无人机空中自动加油精准对接的优化控制方案,研究并分析了影响加油锥管与受油接口快速准确对接的主要因素,通过运动轨迹生成器对浮锚加油锥套的运动轨迹进行模拟,无人机的自动飞行控制系统根据轨迹跟踪曲线对无人机的飞行姿态进行调整,引导无人机的受油接口与加油锥管进行精确对接,整个飞行轨迹跟踪控制过程优化了复杂高空环境中无人机加油对接的精准性;通过仿真实验表明,该高空无人机加油对接引导方法提高了空中管口对接的速度与抗干扰能力,可以满足各种复杂高空环境的无人机加油任务。     

无人机空中加油建模与仿真分析

无人机空中加油的关键在于建立并保持加油机与无人机之间的有效队形,实现无人机在此过程中的自动飞行;在对空中加油全过程论述的基础上,首先对加油过程中的编队飞行问题进行了数学建模,并依据所建立的数学模型设计了无人机编队飞行控制器,最后通过对空中加油条件的模拟初始化,给出了无人机对接阶段的仿真要求并对所建立的系统模型及控制器进行了仿真验证;仿真结果表明,所建立的模型及控制器可以实现加油编队快速、平稳的会合、对接,为空中加油任务的顺利完成提供了保障.     

软式空中加油半实物仿真系统研究

为模拟软式空中加油相对运动过程,研究加油机和受油机在近距离时的气动影响和飞行接近策略,提出了一种考虑尾涡流、头波效应影响的软管-加油伞运动模型,仿真实验表明该模型能够准确模拟软式空中加油相对运动过程,在某型飞机大型球幕飞行训练模拟器的基础上,开发了一套基于该运动模型的软式空中加油半实物仿真模拟训练系统,对加油伞组件控制...     

加油锥套对大气数据测量的影响分析

采用流体仿真计算,就空中加油过程中受油机逼近加油锥套时,加油锥套对受油机大气数据测量的影响进行了分析。为了简化仿真建模并方便后处理,提出了受油机位置不动,而将加油锥套置于不同站位从而对两者的相对运动进行建模的方法,同时将加油锥套对大气数据测量的影响转化为有、无加油锥套的大气数据测量结果的比较,从而实现了对上述影响的定量分析。从仿真结果来看,加油锥套对受油机的大气数据测量有显著影响,并由此可能导致座舱显示大气参数跳变以及触发飞控系统报大气参数故障。该结论对空中加油飞行员培训及飞控系统大气参数报故逻辑设计有参考价值。     

基于辅助视觉飞机空中加油对接优化过程仿真

研究飞机空中加油对接过程控制,提高对接准确性.飞机空中加油过程处在全程高速运动中,由于受油机在加油时处在前方大型加油机的尾流中受到强烈扰动,端口对接处在动态变化,传统的对接方法需要准确判断高速移动端口的准确位置,一旦尾流中受到强烈扰动,导致颠簸,对接误差距离计算较大.提出辅助视觉的飞机空中加油对接过程控制方法.统计飞机空中加油辅助视觉图像出现共现的频率,计算对应图像在所有图像中的共现度,通过运算获取对应图像的权重,实现关键帧图像定位,运用图像中心点空间位置,建立近距空中加油时的尾流流场对受油飞机的气动影响的数学模型,完成飞机空中加油接口的定位.实验结果表明,利用改进算法进行飞机空中加油对接过程控制,在飞机飞行震动较大的情况下,对接控制的准确性高于传统算法.     

一种基于HSV色彩空间的加油锥套特征提取方法

自动空中加油过程中视觉导航图像的复杂性对加油锥套特征的检测与识别提出了很高的要求。为准确获取空中加油对接阶段加油锥套端面的中心坐标,提出一种基于图像HSV(hue,saturation,value)色彩空间信息的加油锥套特征提取方法。引入HSV色彩空间,根据颜色与形状特征选取原则选取加油锥套特征。对图像进行色彩空间转换、色相滤波、二值化以及边缘检测处理,利用最小二乘椭圆拟合的方法得到加油锥套端面的中心坐标。实验结果表明,所提出的方法能够准确提取加油锥套特征,实时解算得到加油锥套端面的中心坐标,为自动空中加油视觉导航提供了一种可靠性更高的特征提取方法。     

硬式空中加油姿态调节作动系统技术研究

姿态调节作动系统作为硬式空中加油系统的重要子系统,其功能和性能可直接影响加油装备与受油机的准确对接与安全。通过故障树分析的方法验证了方案系统架构满足安全性要求,通过建模仿真分析的方法验证了系统方案的合理性和性能指标的符合性。试验结果表明,所研制的系统能够满足设计方案的功能和性能要求,并验证了关键技术,提升了技术成熟度,为后续实用化奠定了基础。     

多无人机空中加油的最优会合航路规划

为了空中加油能面向多架无人机,本文提出了空中加油的三维最优会合航路规划算法.多架无人机分布在不同区域,需要加油机沿预定的规划航路飞行会合,以完成空中加油任务.由于加油机可同时服务的受油机数量有限,需要寻找最优分配策略将无人机预分配至不同加油区域与之会合.本文首先根据加、受油机在各加油区域的最短会合时间,将最优分配问题建模为整数线性规划问题,求解得到加油机与各无人机的最优会合点.随后,本文提出了三维空间Dubins路径延长算法,保证各无人机按照分配结果与加油机同时到达会合点.最后,分别针对二维和三维多架无人机空中加油任务进行仿真.仿真结果表明本文提出的最优会合航路规划算法得到的Dubins航路,可以保证空中加油会合任务在最短时间内完成.     

无人机软式自主空中加油视觉导航方法

针对无人机软式自主空中加油问题,提出了用于无人机软式自主空中加油的视觉导航方法.在加油锥套外环平面上均匀布置8个近红外LED,在受油机上布置CCD相机及带通滤镜构成视觉系统,利用该系统对锥套进行近红外成像,对所获取的近红外图像进行特征点提取并利用迭代算法估计锥套与受油机之间的位姿参数.在不同距离下对该视觉导航方法进行了仿真验证.结果表明,所研究的无人机软式自主空中加油视觉导航方法精度较高,抗干扰能力较强,可以有效地用于无人机软式自主空中加油.     

无人机空中加油控制设计与仿真

无人机空中加油控制精度问题,无人受油机模型的各种不确定性与来自外部的各种干扰归结为扰动,造成控制精度差。为解决上述问题,提出一种免疫粒子群优化算法的自抗扰无人机自主空中加油飞行控制律设计方法。利用自抗扰控制能够自动检测并补偿内部与外部干扰影响的特点,并利用扩张状态观测器进行估计与补偿,从而增强了所设计飞行控制律的鲁棒性,用免疫粒子群优化算法对自抗扰控制器参数进行了优化研究,以提高设计效率。仿真结果表明,所设计的自抗扰自主空中加油控制系统具有优良的控制性能与较高的控制精度,能够满足无人机自主空中加油的要求。     

A binocular vision-based UAVs autonomous aerial refueling platform

Unmanned aerial vehicles (UAVs) are highly focused and widely used in various domains, and the capability of autonomous aerial refueling (AAR) becomes increasingly important. Most of the research in this area concerns the verification of the algorithms while the experiments are conducted on the ground. In this work, in order to verify the vision system designed for boom approach AAR, an integrated platform is built and tested. The platform consists of a tanker UAV, a receiver UAV and a ground station. The pictures of the marker on the receiver UAV are captured by the binocular vision system on the tanker UAV and then used for flight control and boom control. Performance and feasibility of the platform are demonstrated by the real out-door flight tests, and the experimental results verified the feasibility and effectiveness of our developed binocular vision-based UAVs AAR.     

IFSTA自主空中加受油控制策略及模态分析

借鉴国外自主空中加油试飞流程以及国内有人机试飞经验，研究空中加受油会合、编队、对接等各阶段进入及退出策略。以国内唯一的综合空中飞行模拟试验机（In Flight Simulator Test Aircraft,IFSTA）原型机K8飞机和某运输机为加受油平台，设计自主加受油全过程控制律，并对各个模态进行仿真验证分析。仿真结果表明,在各个模态的综合控制下，飞机可以实现稳定的速度、高度及侧偏控制，且调整过程超调量较小，保证了空中加受油过程的安全性和稳定性。将来可在地面试验环境中开展仿真验证，并为下一阶段无人自主空中加受油演示验证试飞奠定技术基础。     

自主空中加油多摄像机近距相对导航与控制

针对伸缩套管方式下自主空中加油(AAR)对接与位置保持过程,提出了一个基于多摄像机系统(MCS)的相对导航与控制方案.该方案中的位姿估计算法通过结合3D-3D位姿估计技术和N点透视技术,能够充分利用多摄像机系统的宽视野和冗余测量信息.使用卡尔曼滤波算法对视觉估计数据进行滤波,并与速度测量数据进行融合,以提高视觉导航算法的精度和鲁棒性.为抑制外部风扰动,设计了一个基于动态对策理论的最优相对轨迹跟踪控制律.仿真结果表明提出的方案能够满足空中加油要求.     

Vibration suppression and fault-tolerant control of an aerial refueling hose with multiple actuators

In this paper, we propose an adaptive fault-tolerant boundary vibration control approach for the flexible aerial refueling hose with variable length, variable speed, and multiple actuators. A distributed parameter system (DPS) is utilized to represent the dynamic behavior of the flexible refueling hose more precisely and accurately. Based on the established DPS model, we present a boundary vibration controller to suppress the vibration of the flexible refueling hose. In the controller, fault-tolerant control with multiple actuators is considered to tackle the failure issues, and both multiplicative and additive failures are discussed in the fault situation. Then, by the Lyapunov direct method, we prove that the stability of the closed-loop system is guaranteed under the proposed control approach. Numerical examples are presented to support the theoretical derivation.     

Mental workload evaluation model of receiver aircraft pilots based on multiple resource theory

Aerial refueling is an extender of air combat capability that has received widespread attention with the development of the military field, particularly the mental workload of the pilot performing the aerial refueling task, as it is the key to the aerial refueling success rate. Therefore, this study analyzes the behavior of receiver aircraft pilots from rendezvous to the separation phase and constructs a mental workload model to improve the aerial refueling success rate. First, the time-channel-action unit network was constructed based on Petri net and multiple resource theory (MRT). Second, the mental workload evaluation model was constructed from three dimensions: conventional resource occupation, additional resource occupation, and time occupation. Finally, a simulated experiment was conducted, and the results showed that the mental workload obtained by the model constructed in this study exhibits a high positive correlation with subjective mental workload, pupil diameter, and blink rate, surpassing the accuracy of the traditional MRT model.     

一种航天器推进剂补加飞控模拟器设计

推进剂补加飞控模拟器是飞控中心用来验证推进补加程序和地面测控方案、训练操作人员的模拟仿真系统,为系统演练构造一个尽量逼真的任务环境;提出了一种用于推进剂在轨补加任务准备的飞控模拟器设计,详细介绍了系统结构和原理, 给出了系统信息流向、软件设计,最后对主要技术难点及解决措施进行了说明,该模拟器具有真实性高、通用性高及灵活性高的特点,可以实现对推进剂在轨补加过程的动态模拟,在我国首次推进剂补加任务准备中得到了充分的应用和验证,取得了较好的效果。     

无人移动平台运动控制系统的设计

为实现地面无人移动平台的准确运动,设计其运动控制系统。选用履带式平台,分析并建立平台运动学模型,搭建H桥模块驱动平台电机,设计电流检测模块和速度检测模块,将电机运行状态反馈给控制器。设计数字PI控制器,形成速度一电流双闭环控制,结合差速反馈控制器,提高运动控制精度。实验结果表明了该运动控制系统的可靠性。