动态不确定环境下无人机自主空中加油会合对接的制导与控制研究

The ability of Aerial refueling will play an important role in the future for UAV, It will extent the flight range，endurance and payload of the receiver UAV. To the UAV aerial refueling, the turbulence, tail vortex of tanker, and change of the mass, center of gravity and moment of inertia will greatly influence the performance of UAV Rendezvous and Docking. In this project, the guidance and control problem of UAV aerial refueling in dynamic and uncertain environment will be studied. With the guidance and control , it will realize the autonomous UAV aerial refueling in the dynamic uncertain environment. It will emphasize on the research in the method of long distance guidance, the identification and localizing method of the Drogue. The method of guidance and control of docking, and the robust control method for position and attitude control of close formation flight for UAV Aerial refueling. The study will greatly extend the usage of UAV, also it will provide reference value to rendezvous and docking of other flight vehicle.

无人机具有自主空中加油能力是未来的发展方向，可增加其作战半径、滞空时间和载弹量。无人机空中加油过程中由于大气紊流，加油机尾涡流，以及加油过程中无人机的质量、重心及转动惯量的变化等因素的影响，实现加油锥套与受油插头的会合对接难度大。本项目以无人机空中加油会合对接为研究对象，研究动态不确定环境下飞行器会合对接的制导与控制问题，实现在动态干扰环境下的无人机空中加油的会合，对接，编队飞行的全过程自动控制。着重研究远程会合的制导方法；研究加油锥管的识别定位问题，提高位置与姿态信息获取的精度与快速性；研究实现在动态不确定环境下受油插头与加油锥管精确对接的制导控制方法；研究实现加油过程中无人机与加油机紧密编队飞行的位置与姿态保持的鲁棒控制方法。该项目研究将极大深化和扩展无人机的用途；对于其他飞行器的会合对接制导与控制亦有参考价值。

项目研究了动态不确定环境下飞行器会合对接的制导与控制问题，实现了动态干扰环境下的自主空中加油的会合，对接，编队的全过程控制。研究内容有（1）无人机空中加油会合对接的动力学建模与分析；（2）加油锥管的精确识别与定位研究；（3）无人机空中加油会合制导控制方法研究；（4）无人机空中加油对接制导控制方法研究；(5)加油过程中无人机与加油机紧密编队飞行控制方法研究。. 建立了空中加油状态下的无人机全量运动方程及空中加油相对运动关系模型，分析了燃油重量变化对无人机动态性能的影响；基于多刚体动力学及可控锥套动力学模型建立了软管-锥套运动的动力学模型；建立了加油机尾涡流、大气紊流以及受油机艏波模型，设计了软管-锥套运动控制器，实现了在多种干扰下锥套运动的稳定控 制。. 设计了软式自主空中加油视觉导航系统，提出了软式自主空中加油视觉导航算法。基于辅助识别标志的特点，设计了视觉导航图像的预处理及特征点提取算法。采用随机Hough变换检测锥套目标，并基于卡尔曼滤波设计了锥套目标跟踪算法，采用视觉导航方式引导受油机与锥套实现了精确对接。.根据无人机空中加油会合策略和任务要求，研究了带约束的平面比例制导律，三维轨迹的比例制导律，以及滑模控制的比例制导律，并应用Dubins最短路径原理设计了会合航路点生成器，采用反推控制等方法设计了会合控制器，实现了引导受油机与加油机的会合控制。. 设计了空中加油对接基准轨迹。设计基于参考观测器的对接控制器，实现了空中加油对接跟踪控制。并研究了自适应鲁棒控制，动态逆鲁棒控制等方法设计对接控制器，提高了对接控制的动态性能与鲁棒性能。. 为了确保无人受油机在空中加油过程中能够抑制燃油传输和气动耦合带来的不确定因素影响，采用神经网络动态逆非线性方法设计了编队保持控制器，实现了在不确定环境下的姿态与位置的保持。. 本研究成果为我国未来自主空中加油的实现提供了理论基础，具有参考价值。