空基回收拖曳系统直线-盘旋转接段运动轨迹设计

针对气流扰动下空基回收拖曳系统在直线-盘旋转接段飞行过程中的拖曳浮标稳定问题,提出一种基于微分平坦理论的拖曳系统转接段运动轨迹的设计方法,通过设计母机运动轨迹间接地控制拖曳浮标沿着预设的转接轨迹安全、平稳、精准地转接飞行。采用质点-弹簧离散缆绳模型构建母机-缆绳-浮标组合体多体动力学模型;在证明拖曳系统具备微分平坦特性的基础上,以拖曳浮标三轴位置为平坦输出,所提方法以期浮标沿着预设安全转接段轨迹飞行;结合拖曳浮标直线飞行状态与盘旋飞行状态设计拖曳浮标转接段飞行轨迹。通过平静大气、多种常值风及阵风气流扰动场景下的仿真算例结果表明,所提方法能够实现拖曳浮标在直线-盘旋转接段的稳定飞行。

基于增量动态逆的无人机着舰控制方法

针对舰载无人机着舰过程中的甲板运动、舰尾流等问题,提出一种基于舰机相对运动的舰载无人机增量动态逆着舰控制方法。在舰机相对运动和相应几何关系的基础上,推导出甲板运动情况下的相对下滑角与绝对下滑角之间的数学关系,从而实现对理想着舰轨迹线的精确跟踪;设计增量动态逆控制律,在充分利用测量信息的基础上摆脱对模型精度的过度依赖,在保证跟踪精度的同时能够有效降低计算负荷。仿真结果表明:该方法能够精确跟踪理想着舰轨迹,有效降低甲板运动对着舰精度的影响,同时设计的增量动态逆控制器具有较强的鲁棒性。

航空航天特色专业数字电路与系统设计教学改革探索

南京航空航天大学数字电路与系统设计是探测制导与控制、自动化、电气工程与自动化、测控技术与仪器等航空航天特色专业的技术基础课和必修主干课。航空航天专业特色对数字电路与系统设计教学提出了具体要求。该文深入分析了南京航空航天大学航空航天特色专业数字电路与系统设计课程教学存在的若干问题,从教学内容与教学资源推陈出新、教学/考核方式丰富创新、空天报国情怀与专业技能融合培养等多个方面,对航空航天特色专业数字电路与系统设计教学改革进行探索与思考,为提高数字电路系列课程教学水平、培养新形势下航空航天后备人才提供支撑。

无人机软管式自主空中加油精准对接控制

对项目组在自主空中加油对接控制方面的研究成果进行了回顾。首先介绍了使用深度学习这一具有强非线性表征能力的回归技术结合CFD和高阶复杂模型的仿真数据,所建立的受油机前扰波和面向控制的锥套预测模型。在此基础上,介绍了借鉴空中加油人工驾驶对接的优点,创新提出的反步高阶滑模抗扰动对接控制器、平动/转动综合的抗扰动对接控制器以及直瞄/变长度预瞄复合引导对接控制器。仿真结果表明,所提方法显著提高了自主空中加油对接精度。

绳系拖曳飞行器高抗扰轨迹跟踪控制

针对受未知风扰动作用下的绳系拖曳飞行器轨迹精确控制问题,设计了一种基于最小学习参数神经网络估计器的拖曳飞行器轨迹动态面控制方法。首先,结合绳系拖曳系统多刚体动力学模型,构建拖曳飞行器六自由度非线性模型,并完成其仿射非线性化处理。其次,考虑到拖曳飞行器可能受到前方飞机尾涡、紊流和阵风等未知气流及不可测量瞬变缆绳拉力等扰动的综合影响,构建了基于最小学习参数神经网络的拖曳飞行器状态/扰动在线估计器,以准确重构系统不可测量集总扰动。然后,基于所提状态/扰动在线估计器,设计了一种基于最小学习参数神经网络状态/扰动在线估计器的拖曳飞行器轨迹动态面控制方法,并分析了系统稳定性。最后,仿真表明,所提方法能够在多重气流扰动下实现拖曳飞行器位置稳定和机动轨迹跟踪。

基于自适应动态逆的着舰控制器设计

针对舰载无人机着舰过程中存在参数不确定、舰尾流干扰等问题,设计了一种基于自适应动态逆的着舰控制律。通过动态逆消除了非线性以及多变量耦合,在此基础上加入自适应律,分别设计了俯仰姿态控制器和速度控制器,并应用Lyapunov稳定性原理修正了自适应律并用来处理动力受限时的速度控制问题,保证动力补偿系统的稳定性。仿真验证结果表明,该控制方法具有较好的动态性能与鲁棒性,能够在复杂环境下以较高精度跟踪期望值,符合无人机着舰指标要求。

基于主动抗扰反步法的三维超低空空投飞行控制

针对风扰、地面效应和空投瞬时动态摄动等复杂扰动下的运输机超低空空投鲁棒飞行控制问题,提出了一种基于有限时间收敛非线性干扰观测器的主动抗扰反步方法的三维飞行控制设计。首先,建立考虑风扰、地效和投放摄动等干扰影响的运输机超低空投放过程6自由度动态模型,并对其完成仿射非线性化处理;其次,基于反步控制思想,将飞行控制器分为多个轨迹串级子系统和地速子系统;然后,将各子动态系统中与输入无关的项视为集总扰动,分别设计有限时间收敛非线性干扰观测器,实现对集总扰动的准确估计;最后,结合已估计的集总扰动信号,基于反步法提出一种三维主动抗干扰飞行控制方法。仿真结果表明,提出的三维超低空空投控制方法具有较高的控制精度和较出色的抗干扰能力。

多无人直升机协作搬运控制技术研究

随着多无人机协同控制技术的迅猛发展,多无人机悬挂运输飞行成为国内外研究的热点。针对多无人直升机协作悬挂搬运的绳索摆动问题和轨迹控制问题,设计了基于最小学习参数神经网络的动态面轨迹控制方法。首先,建立了多无人直升机协作悬挂搬运系统的非线性动力学模型。然后,把对无人直升机动力学特性和稳定性能影响较大且无法测量的各绳索拉力作为扰动,构建最小学习参数神经网络估计器进行估计,并在控制设计中予以补偿。然后,提出一种基于最小学习参数神经网络的动态面轨迹控制方法。同时,分析了轨迹控制系统的闭环稳定性。最后,进行数值仿真的验证。结果表明,协作无人直升机能在0.5 s后迅速跟踪各自轨迹指令,并使跟踪轨迹的平均相对误差小于0.2%,从而实现精准协作搬运。本文提出的多无人直升机轨迹控制方法为进一步研究多无人机协同轨迹控制提供参考依据。

飞秒激光液相烧蚀的超快观测展望(特邀)

飞秒激光液相烧蚀技术具有局部、瞬时、超快、超强等典型极端制造特点,在精密加工和纳米材料合成领域展现了独特优势。然而,飞秒激光液相烧蚀是跨多时间、空间尺度,多物理化学现象耦合的复杂过程,现阶段研究缺乏全面有效手段、对机理理解不足。简要介绍了飞秒激光液相烧蚀的基本过程和相关超快观测技术的发展历程,并进一步总结了超快观测技术在光丝、溶剂化电子、等离子体、气泡演化等过程中的应用。最后总结了飞秒激光液相烧蚀方法、观测和机理研究存在的问题,并基于现有问题对未来飞秒激光液相烧蚀中可能应用的超快观测技术进行了展望。

伸缩套臂式无人机空基回收建模与对接控制

针对无可靠陆基/舰基回收平台情况下小型固定翼无人机(UAV)远程作战空基回收难题,提出一种伸缩套臂抓取式空基回收建模与对接控制方法。首先,受硬式空中加油技术启发,提出一种伸缩套臂式抓取无人机空基回收方法,并采用转动惯量质量投影法及拉格朗日方程法构建伸缩套臂仿射非线性模型;继而,分析了母机尾涡及常值风扰动综合作用下伸缩套臂的气动特性;其次,针对伸缩套臂三通道中扰流关联项和不可测瞬变模型扰动构成的系统集总扰动,分别设计了可在有限时间内收敛的非奇异快速终端滑模干扰观测器对其进行准确估计,并在控制器设计中予以前馈补偿;然后,为实现多重扰流下伸缩套臂快速精准空中对接,提出一种基于干扰观测的非奇异快速终端滑模对接控制方法,并分析了闭环系统稳定性。最后,通过仿真验证表明,所提出的方法能够在多重气流扰动下实现伸缩套臂的快速、精准空中对接控制,同时兼备较好的抗干扰性能。

非匹配包线下无人机空基回收拖曳系统协调运动规划

针对非匹配包线下固定翼无人机(UAV)拖曳式空基回收过程中的浮标轨迹稳定问题,提出一种盘旋拖曳系统运动规划方法,通过实时协调母机运动和缆绳收放从而实现浮标拖曳轨道精准稳定。首先,构建气流扰动下考虑缆绳弹性和收放特性的母机-缆绳-浮标组合体多体动力学模型。继而,综合考虑拖曳系统动力学约束和母机飞行能力、缆绳收放能力等物理约束,分别建立基于母机运动和基于母机运动-缆绳收放协调的盘旋拖曳系统运动规划最优控制模型。随后,采用hp自适应Radau伪谱法将所建最优控制模型转化为非线性规划问题,并通过SNOPT求解器解算。最终,通过平静大气下母机运动规划、常值风扰下母机运动规划和常值风扰下母机运动-缆绳收放协调运动规划等典型场景下的仿真实验对比分析表明,本方法可实现一定气流扰动和拖曳系统物理约束下浮标拖曳轨道精准稳定。

滚转机动受限的无人机复杂航路跟随制导方法

无人机在未来作战中的作用逐渐多样化,航路跟随能力将成为发挥无人机作战效能的关键支撑技术。针对固定翼无人机跟随复杂航路的需求,提出一种基于非线性模型预测控制的航路跟随制导方法。该方法通过引入沿预定复杂航路变速运动的参考点,在Serret-Frenet坐标下建立航路跟随的位置和航迹方位角误差模型,结合无人机滚转能力以及动参考点速度约束等,构建了航路跟随的非线性优化问题,采用基于精英保留策略的混沌粒子群算法,求解得到了跟随复杂航路的制导指令。仿真结果表明,该方法可实现使复杂航路稳态跟随精度达到米级,并具有较强的抗风扰能力。

高超声速无人机末端能量管理段无动力返回制导方案

针对某高超声速无人机在到达末端能量管理段窗口时,位置、能量、航向角变化范围大等问题,提出了一种基于多轨迹调度的制导方法,使其以期望状态进入自动着陆窗口。基于质点三自由度模型,建立了该飞行器的动压和高度的动力学模型,设计了最陡、最浅和标称下滑动压剖面,推演出能量走廊和标称下滑高度剖面。提出了航向校准圆柱半径、位置、进场方式等优化机制,设计多条地面轨迹和大动压制导、标称制导、小动压制导三种制导策略。最后根据初始能量选择制导策略,根据根据初始位置与航向角选择地面轨迹,实现无人机以期望状态进入自动着陆窗口。

UAV feasible path planning based on disturbed fluid and trajectory propagation

In this paper, a novel algorithm based on disturbed fluid and trajectory propagation is developed to solve the three-dimensional（3-D） path planning problem of unmanned aerial vehicle（UAV） in static environment.Firstly, inspired by the phenomenon of streamlines avoiding obstacles, the algorithm based on disturbed fluid is developed and broadened.The effect of obstacles on original fluid field is quantified by the perturbation matrix, where the tangential matrix is first introduced.By modifying the original flow field, the modified one is then obtained, where the streamlines can be regarded as planned paths.And the path proves to avoid all obstacles smoothly and swiftly, follow the shape of obstacles effectively and reach the destination eventually.Then, by considering the kinematics and dynamics equations of UAV, the method called trajectory propagation is adopted to judge the feasibility of the path.If the planned path is unfeasible, repulsive and tangential parameters in the perturbation matrix will be adjusted adaptively based on the resolved state variables of UAV.In most cases, a flyable path can be obtained eventually.Simulation results demonstrate the effectiveness of this method.