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非匹配包线下无人机空基回收拖曳系统协调运动规划

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航空学报 2023年第10期44卷 190-206页

作者：苏子康陈海通李春涛邢卓琳王宏伦南京航空航天大学自动化学院南京210016 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

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... 详细信息

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。

关键词：空基回收盘旋拖曳系统运动规划无人机 hp自适应Radau伪谱法

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伸缩套臂式无人机空基回收建模与对接控制

航空学报 2023年第1期44卷 221-238页

作者：苏子康徐忠楠李春涛陈海通王宏伦南京航空航天大学自动化学院南京210016 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

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... 详细信息

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。

关键词：空基回收对接控制伸缩套臂滑模控制干扰估计

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空基回收无人机头部扰流场CFD仿真与分析

航空科学技术 2022年第10期33卷 103-110页

作者：陈嘉李雪兵徐忠楠邢卓琳苏子康南京航空航天大学江苏南京210016

针对空基回收过程中无人机头部扰流近距对浮标产生显著干扰、影响对接安全和效率的问题,本文运用计算流体力学(CFD)软件对无人机头部扰流特性及影响进行仿真与分析。首先,借助SolidWorks软件对无人机和浮标进行三维建模;其次,运用CFD软... 详细信息

针对空基回收过程中无人机头部扰流近距对浮标产生显著干扰、影响对接安全和效率的问题,本文运用计算流体力学(CFD)软件对无人机头部扰流特性及影响进行仿真与分析。首先,借助SolidWorks软件对无人机和浮标进行三维建模;其次,运用CFD软件围绕无人机头部和浮标模型建立外流场计算域并对其进行网格划分及迭代计算;再次,模拟仿真多组浮标与无人机间典型相对位置情况下的机头-浮标附近速度场、压力场和拖曳浮标所受扰动力数据;最后,基于上述试验数据,对比分析了无人机头部流场内气流速度及对浮标扰动力变化规律。本文探讨内容可为进一步提高缆绳拖曳浮标稳定与空中对接控制精度提供参考依据。

关键词：空基回收空中对接头部扰流无人机计算流体力学

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无人机集群空基回收协同控制技术

无人机集群空基回收协同控制技术

作者：王齐鹏国防科技大学

学位级别：硕士

目前,很多国家都在争相发展无人机集群相关技术。本文以小型固定翼无人机集群为主要研究对象,针对无人机集群空基回收过程中的关键控制问题展开研究。首先将空基回收过程分为两个关键步骤——回收网的稳定控制与无人机跟踪回收网的协同... 详细信息

目前,很多国家都在争相发展无人机集群相关技术。本文以小型固定翼无人机集群为主要研究对象,针对无人机集群空基回收过程中的关键控制问题展开研究。首先将空基回收过程分为两个关键步骤——回收网的稳定控制与无人机跟踪回收网的协同控制;接着针对回收网的欠驱动特性,设计载机拖曳回收网的的运动控制律;然后分别从运动学和动力学角度出发,针对无人机的非线性特性、非对称输入约束、模型不确定性以及外界扰动等挑战,从状态估计、控制参数调节、构建数据驱动模型等角度开展无人机跟踪回收网的协同控制理论研究和方法验证;最后对无人机协同跟踪控制方案进行了半实物仿真并搭建了全流程三维可视化仿真平台。论文的主要工作及创新点如下:(1)针对拖曳回收网的欠驱动特性,建立“载机-缆绳-回收网”模型,分析了系统内部的状态约束,提出了回收网定高运动的控制方案;考虑了回收网阻尼系数的不确定性,设计了基于反步法的非线性控制器,实现了对回收网定高运动的控制,为无人机集群协同跟踪回收网提供了前提保证。(2)针对固定翼无人机模型中非线性特性与非对称速度约束,首先基于一致性协议定义了无人机的虚拟跟踪目标;接着基于Lyapunov方法设计了速度控制律,控制无人机跟踪目标,并通过调整控制参数使控制输入的约束得到满足;最后考虑了邻居无人机速度未知的情况下对邻居无人机速度状态的估计,并利用级联系统稳定性,证明了基于观测状态的速度控制律的全局一致稳定性。(3)针对无人机动力学模型中的模型不确定性部分,建立了数据驱动下的高斯过程模型,并设计了基于学习的分布式协同跟踪控制律;考虑了环境扰动对于协同控制的影响,并基于高斯过程回归的概率误差界,证明了扰动有界的情况下,无人机一致性跟踪误差的依概率有界性,从而保证了系统的鲁棒性。(4)基于Simulink的数值运算能力与Flight Gear的三维显示功能,设计了无人机集群空基回收的三维可视化仿真平台,使回收流程更加直观形象。

关键词：固定翼无人机集群空基回收协同控制一致性三维可视化