头波效应下的软管式自主空中加油可靠对接控制

Probe & drogue autonomous aerial refueling plays a critical role in the military and civil fields. During docking, the bow wave effect on the drogue will not only cause serious safety problems, but also reduce the docking success rate heavily. Under the bow wave effect, the docking control problem can be formulated to be a precision control problem that, in presence of complex disturbances, a restricted and slow dynamical system tracks a fast dynamical target. For this problem, this project will study it mainly from modeling, dockability and control. First, this project will study the control-oriented docking modeling, where the model of bow wave effect on the drogue is one of our contributions. For the reliable docking, this project will study the dockability and the degree of dockability. The two new conceptions are another contribution. They will help to choose a proper initial docking control position and make a safety decision. Based on the previous studies, this project will further study reliable docking control, where the "iterative learning control + feedback" method for docking is also a contribution. Iterative learning control is used to handle the precision control problem mentioned above. Finally, to demonstrate the effectiveness of our design, simulation will be implemented, including both numerical simulations and autopilot-in-the-loop simulations.

软管式自主空中加油在军用和民用上有着十分重要的意义。在软管式自主空中加油对接过程中，头波效应不仅对飞行控制安全带来很大影响，而且还严重影响对接成功率。该效应下，对接控制问题可描述为：在复杂扰动下，"慢动态"受限系统精确跟踪"快动态"目标的问题。针对该问题，本项目主要从建模、可对接性和控制三个方面进行研究。首先，本项目研究面向控制的自主空中加油对接模型，其中头波效应对锥套受力的定量模型属于本项目的模型创新。为保证可靠对接，本项目进一步研究可对接性（Dockability）和可对接裕度。这两个概念为本项目的概念创新，它们将为对接初始位置选择和安全决策提供帮助。在以上基础上，研究自主空中加油可靠的对接控制，其中"迭代学习控制+反馈" 方法为本项目的方法创新。该方法拟用来解决以上提到的对接控制问题。为了验证设计的有效性，本项目最后进行仿真验证，包括数字仿真与自驾仪在环的半物理仿真。

本项目自2015年1月开始到2018年12月结束，系统性地研究了空中加油对接阶段的建模、控制和决策问题，创新地取得成果如下：.(1) 建立空中加油系统中对接控制模型，包括头波效应动态模型和空中加油系统不确定模型，完整地建立了锥管-锥套式自主空中加油对接阶段的动态模型。.(2) 设计一套自主空中加油对接阶段的控制方案。采用基于终端迭代学习控制（TILC）的对接控制方法，用于补偿由于气流扰动引起的对接误差，能够快速地学习以成功实现在气流扰动下（包括头波效应）的对接控制。.(3) 提出了自主空中加油可对接性和可对接裕度及其计算方法。针对自主空中加油对接阶段，使用可达集分析及随机近似的方法实现了对可对接性的评估及可对接裕度的度量，为安全的完成对接阶段提供了决策支持。.(4) 搭建了自主空中加油仿真平台。仿真平台包括加油机系统、受油机系统、软管锥套系统、风扰动模块和 VR 视景模块。该平台能够完成自主空中加油的全流程仿真，为验证对接控制器的性能提供了便利。.综上所述，项目组成员较为完整完成了既定的研究任务。本项目共发表SCI论文19篇，EI论文16篇，申请专利7项。不仅如此，与中航工业成都飞机设计研究所（611所）取得了合作，将理论往实际推进了一步。