一种空中自主加油扰动建模与自适应控制方法

针对加/受油机近距对接阶段设计气动扰动建模与对接控制方法。首先建立了大气紊流、受油机绕流和加油机尾流等干扰的等效模型,用以描述空中加油阶段气流扰动对锥套的推离规律以及对受油机气流角与气动力矩的影响。然后面向近距对接控制任务,设计了基于超螺旋滑模观测器的自适应干扰抑制控制器,在基线动态逆控制律的基础上引入外环二阶滑模干扰观测器用以补偿姿态扰动,内环引入角速率观测器并构造自适应项以抑制长时干扰。最后,通过综合视景仿真系统验证了基于滑模观测器的自适应干扰抑制控制器能够实现气流扰动下受油探管对锥套中心的精准跟踪。

自主空中加油能力需求及关键评价指标分析

从飞行试验角度而言,如何评价自主空中加受油能力,以及采用哪些关键指标进行评价是自主空中加受油试飞亟待解决的关键问题。从国内外空中加油相关标准要求出发,同时借鉴有人机空中加油的成功经验,分析了自主空中加油总体能力需求,提出了会合、编队、对接、加油及脱离等全过程关键评价指标,在数值仿真和硬件在回路两种环境下对评估方法进行了试验验证,结合试验结果,对影响自主空中加油对接成功的关键因素进行了分析并提出了评价指标建议,试验结果可为自主空中加受油流程设计、试飞验证等方面提供参考和借鉴。

无人机自主空中加油会合编队控制方法

针对无人机自主空中加油过程中加油机、受油机会合编队问题,基于Lyapunov导航向量场(LGVF)和一致性理论设计了一种编队控制方法。首先,建立了无人机编队模型,包括通信拓扑模型和编队几何模型,并在此基础上定义了多无人机系统的协同变量;接着,设计了期望的加油轨迹,并基于Lyapunov导航向量场方法设计了加油机(编队参考点)的飞行控制律;然后,根据加油机的位置、速度信息,基于一致性理论设计了加、受油机会合编队控制方法,并分析了该方法的稳定性;最后,进行了数字仿真,表明了所提方法的有效性。

自主空中加油分布式仿真系统设计

针对无人机自主空中加油技术研究过程中对于实时的数字/半物理仿真的需求,基于ZeroMQ和C++/Qt设计开发了自主空中加油分布式仿真系统。首先,对分布式仿真系统的仿真通信网络进行设计;接着,设计了分布式仿真系统程序框架,并定义了管理节点和仿真节点两类节点;最后,基于ZeroMQ和C++/Qt对上述设计内容进行实现。该系统能够实现对于自主空中加油过程的实时仿真,并为半物理仿真留下了方便的接口。

面向自主空中加油任务的目标检测技术研究

针对软式空中加油任务自主对接过程中的视觉需求,本文进行了基于深度学习的自主空中加油锥套目标检测技术研究。首先,构造了一组包含不同目标尺度、背景并经数据增广后的软式自主空中加油锥套图像数据集。其次,结合当前主流的智能检测算法,对比分析了不同单双阶段检测算法在加油锥套数据集中的检测效果。在Faster RCNN网络添加了自适应置信度筛选模块,降低了其错检概率。为满足工程化应用需求,对YOLOv5网络进行轻量化改造,在几乎不降低检测精度的情况下提高了YOLOv5的检测速度,并大大降低了模型复杂度与运算资源消耗。该研究验证工作为后续展开锥套跟踪及位姿解算等研究提供了良好基础,可以为相关算法在自主空中加油任务中的进一步工程化应用提供重要的先验信息和技术参考。

基于仿鹰眼视觉的无人机自主空中加油

自主空中加油是提高无人机作战能力的重要技术支撑,而鹰在所有的动物中以视觉最为敏锐而著称。针对无人机自主空中加油中的精确对接需求,设计了基于仿鹰眼视觉原理的无人受油机视觉测量方法及半物理试验平台。采用鹰眼视觉注意机制提取虚拟视景中的兴趣区域,剔除噪声和干扰。在对受油机上的颜色标志点进行识别的基础上采用P3P算法,对加油机和受油机之间的相对位姿进行精确估计,并设计了基于比例-积分-微分的硬式加油伸缩管控制律。基于上述技术,在实验室环境下设计开发了无人机自主空中加油半物理仿真平台。实验结果表明:所设计的仿鹰眼视觉测量方法和自主控制律能满足无人机自主空中加油的性能要求,具有较强的实时性、准确性和鲁棒性。

视觉导航辅助的自主空中加油建模与仿真

研究了基于视觉导航方式的自主空中加油(AAR)建模问题。分析了影响自主空中加油对接阶段性能的两个最重要因素——相对距离的测量和风扰动,引入了多个摄像机,建立了适合AAR的视觉导航系统模型,建立了大气扰动和尾流等风扰动下的飞行器模型,用三次多项式规划了对接阶段的航迹并设计了LQR航迹跟踪控制律。对接过程仿真表明,视觉导航的估计精度和飞行控制律性能很好地满足了空中加油的要求。

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。

基于近红外的自主空中加油相对位置解算

无人机(UAV)高空加油在受油口和加油锥套对接过程中,需在全天时和全天候下自主完成高精度的相对位置解算。由于近红外图像兼顾分辨率高及抗环境干扰能力强的优点,因此提出UAV自主空中软管式加油近红外相对位置解算方法。将4个850 nm波段近红外LED灯均匀布置在锥套内环,与850 nm带通滤镜和罗技C310摄像头一起构成视觉相对位置解算系统。首先进行锥套近红外成像,然后通过阈值分割、特征点检测和圆拟合实现锥套检测,进一步完成受油口与加油锥套相对位置解算。通过不同天气环境、不同角度、不同距离下的实验进行了算法性能验证,并给出了算法的适用范围,为工程应用提供借鉴。

自主空中加油时变质量无人作战飞机非线性控制

针对自主空中加油中无人作战飞机(UCAV)位置保持问题,进行了时变质量UCAV的动力学建模与非线性控制设计.综合考虑了燃油传输对UCAV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UCAV时变质量动力学方程.通过引入谱半径,将局部化自适应边界指令滤波反推方法应用于UCAV的位置保持控制.使用逼近器对未知模型不确定性进行在线逼近.对于固有逼近误差和外部扰动,采用局部化自适应边界进行补偿.通过指令滤波反推,设计了相对位置、速度、姿态角和角速度四个反馈回路来保证UCAV的稳定性.最后,三种不同加油方案下的非线性仿真验证了非线性飞行控制律的有效性.

基于双目视觉的自主空中加油算法研究与仿真

针对当前无人机空中加油自动化程度不高,对加油作业环境要求苛刻等问题。分析了空中加油技术中重要因素——目标的相对距离以及姿态测量的基础上,研究了一种基于视觉导航的自主空中加油技术,将双目视觉引入自主空中加油系统中,运用对极几何原理,加快算法的更新速度,提高算法的稳定性和抗扰动性,设计并完成仿真实验。仿真实验结果表明,该算法在精度、速度和稳定性方面均能够满足视觉导航空中加油的需求。

基于计算机视觉的UAV自主空中加油半物理仿真

设计并实现了一种基于计算机视觉的无人机(UAV,Unmanned Aerial Vehicle)自主空中加油仿真平台,采用点匹配与位姿估计算法对软管式加油锥发光二极管(LED,Light Emitting Diodes)标志进行识别.对大气扰动和尾涡流进行了建模,建立了加油锥模型,并设计了加油锥运动状态预估算法.在此基础上,设计了基于线性二次型调节器(LQR,Linear Quadratic Regulator)的飞行控制律.基于上述技术,在实验室环境下设计开发了基于单目机载摄像机的无人机自主空中加油半物理仿真平台.半物理试验结果表明:所设计的位姿匹配算法和飞行控制律能够满足复杂环境下无人机自主空中加油的性能要求,具有较强的实时性、准确性和鲁棒性.

机器视觉辅助的插头锥套式无人机自主空中加油仿真

为准确获取无人机自主空中加油对接阶段受油插头与加油锥套的相对位姿信息,提出一种机器视觉辅助的插头锥套式无人机自主空中加油方案。研究了机器视觉识别跟踪加油锥套的算法,利用卡尔曼滤波算法估计无人机与加油锥套的相对位姿。实验结果表明:机器视觉图像处理算法可精确识别跟踪加油锥套,滤波器估计的相对位姿误差收敛速度较快,满足插头锥套式无人机自主空中加油的需要。

自主空中加油输油阶段无人机建模与控制

针对自主空中加油输油阶段无人机位置保持控制问题,将无人机分为飞机本体和油箱两部分,利用变质量系统理论建立了无人机非线性方程,解决了常规模型无法反映出无人机重量、重心变化的问题。控制律设计方面,通过将变化的油箱转化为外界干扰,提出了基于干扰观测器控制(disturbance observer based control,DOBC)的复合控制结构。复合控制器由位置保持控制器和干扰观测器组成,位置保持控制器采用带积分的线性二次型方法,干扰观测器由比例积分观测器和补偿单元构成,并证明了复合控制器的稳定性。仿真结果表明,将该控制器应用于某型高空无人机非线性模型,可有效减小输油过程带来的影响,实现了输油阶段的位置保持控制。

无人机空中加油自主编队控制器设计

针对自主空中加油(AAR)任务中的飞行器编队形成问题,提出了一个完整的自主控制器方案。采用基于视线的编队制导律控制队形,产生制导指令。针对加油编队过程中产生的模型误差和尾涡扰动等不确定性,基于RBF神经网络和自适应Backstepping方法,设计了UAV姿态和速度非线性控制律来在线逼近和补偿不确定性,保证系统的鲁棒性和稳定性。使用协调转弯方式将航迹角指令转换为姿态指令,以实现控制律对航迹角指令的精确跟踪。最后,仿真结果验证了制导律和控制律的有效性。

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。

无人机自主空中加油控制器设计

利用基于免疫粒子群优化的自抗扰飞行控制器设计方法,进行了无人机自主空中加油控制器设计。通过对自主空中加油各模态特点的分析研究,针对每一飞行模态不同的任务需求,设计多模态控制策略。利用自抗扰控制能够自动检测并补偿内部与外部干扰的特点,进行多模态控制器的设计,以提高控制精度与抗干扰能力。最后,用免疫粒子群优化算法对自抗扰控制器参数进行优化设计。仿真结果表明,所设计的无人机自主空中加油控制器具有较高的控制精度与抗干扰能力。

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.

一种自主空中加油视觉导航图像处理方法

针对自主空中加油近距导航问题,提出了一种锥套检测和跟踪的视觉导航图像处理方法。对于锥套检测,首先利用阈值法和数学形态学方法消除图像干扰,然后提取所有的轮廓并对轮廓进行检查,最后匹配得到目标锥套轮廓。对于锥套跟踪,以上一帧图像的定位结果作为先验信息来确定当前帧图像的可能范围,然后采用上述锥套检测方法进行处理。最后,以一架微型六旋翼飞行器作为受油机,利用自主空中加油试验台获取的真实飞行图像,对所提出的视觉导航图像处理方法进行了验证。试验结果表明:所提出的视觉导航图像处理方法具有较高的实时性及可靠性,能够满足自主空中加油的要求。

无人机自主空中加油技术现状及发展趋势

无人机在现代战争中扮演着越来越重要的作用,广泛运用于情报搜集、目标定位和精确打击等任务。但是由于其具有载重少和油量小的特点,限制了自身的搭载能力和作战半径。自主空中加油技术的发展,不仅能够有效地提高无人机装备的搭载水平和续航能力,同时也能增强其在极端天气情况下的飞行能力。本文主要从无人机的发展、空中自主加油技术、国内外研究现状和未来发展方向等方面对自主空中加油技术的发展现状进行了综述,并对现有的技术特点进行了分析和梳理,对自主空中加油技术的发展趋势进行了展望。