Automatic Carrier Landing Control for Unmanned Aerial Vehicles Based on Preview Control

For carrier-based unmanned aerial vehicles(UAVs),one of the important problems is the design of an automatic carrier landing system(ACLS)that would enable the UAVs to accomplish autolanding on the aircraft carrier.However,due to the movements of the flight deck with six degree-of-freedom,the autolanding becomes sophisticated.To solve this problem,an accurate and effective ACLS is developed,which is composed of an optimal preview control based flight control system and a Kalman filter based deck motion predictor.The preview control fuses the future information of the reference glide slope to improve landing precision.The reference glide slope is normally a straight line.However,the deck motion will change the position of the ideal landing point,and tracking the ideal straight glide slope may cause landing failure.Therefore,the predictive deck motion information from the deck motion predictor is used to correct the reference glide slope,which decreases the dispersion around the desired landing point.Finally,simulations are carried out to verify the performance of the designed ACLS based on a nonlinear UAV model.     

Guidance and Control Techniques of Carrier-Based Aircraft for Automatic Carrier Landing

We summarize the guidance and control techniques of automatic carrier landing for carrier-based aircraft.First,we analyze the carrier landing operations of the manned fixed-wing aircraft,unmanned fixed-wing aircraft and helicopters.Second,we look into the navigation and guidance system and the flight control methods for current different aircraft.Finally,we draw several conclusions of the development prospects for aircraft carrier landing,including the precision landing control techniques,precision approach and landing guidance techniques,and adaptive,reconfigurable and intelligent flight control techniques.     

舰载机-拦阻器耦合系统动力学建模与仿真分析

拦阻过程是舰载机着舰过程中的核心环节。舰载机的着舰滑跑响应除受舰载机自身特性、起落架缓冲特性影响外，拦阻器的拦阻特性对舰载机着舰滑跑动响应也具有至关重要的影响。本文提出了舰载机-拦阻器联合仿真分析模型的建模方 法，建立了包含完整的MK7-3拦阻器刚柔耦合动力学模型和某型舰载机动力学模型为一体的舰载机-拦阻器刚柔耦合动力学系统。数值仿真分析结果表明，本文建立的舰载机-拦阻器耦合系统模型能够很好地描述舰载机着舰过程中与拦阻器之间的交互作用特征，舰载机着舰滑跑 数据的计算结果与实验结果吻合。     

前起落架突伸对舰载飞机弹射起飞航迹的影响

本文研究了舰载飞机的前起落架突伸对弹射起飞航迹的影响．在动力学模型中，把起落架看作是由油气减震器和充气轮胎组成的减震装置．在弹身器末端，前起落架在压缩空气的推动下开始突伸，以增加飞机的离舰迎角。本文计算了两种突伸方式，并比较了它们的结果，这两种方式均能减小离地后的航迹下沉量，并能很好改善弹射起飞性能．     

Dynamics Analysis of Carrier-Based Aircraft with Off-Center Catapult Launch

In order to enhance the safety of the catapult launch of the carrier-based aircraft,the catapult launch multibody dynamic model is established aiming at the problem of off-center catapult launch. The whole catapult process including four stages which are buffering,tensioning,releasing and taxiing is taken into consideration and the body dynamics of the off-center catapult during each stage is analyzed. The catapult launch dynamic differences between the conditions only considering taxiing and that considering four stages are compared,and the effects of the different initial off-center distances considering four stages on the attitude,landing gear load and acceleration of the carrier-based aircraft during catapult launch are discussed. The results show that only considering taxiing may underestimate the dynamics of the carrier-based aircraft substantially. When taking four stages into consideration,the initial off-center distance has small influence on the aircraft dynamic characteristics during buffering and tensioning but has larger influence on that during releasing and taxiing. The increase of the off-center distance will cause the enhancement of the aircraft rolling and yawing,which may lead to the load difference between the left and right landing gears and the increase of the aircraft lateral acceleration. The establishment and simulation of the catapult launch multi-body dynamic model founded on buffering,tensioning,releasing and taxiing provide reference for the carrier-based aircraft design and analysis of the catapult launch dynamics.     

直升机着舰引导与控制研究进展

随着现代海战向立体化、多层化发展,舰载直升机以其垂直起降、定点悬停等优势成为未来海战武器装备的重要组成部分,而着舰引导与控制是舰载直升机的关键技术。本文对直升机着舰引导技术与着舰控制技术的研究进展进行概述,着重概述和分析了着舰引导技术中的雷达、卫星、视觉、光电引导技术。其次对舰载直升机着舰的环境影响因素、综合流程以及应用现状进行概述分析,最后对舰载直升机着舰技术进行了展望。     

某型无人机自动着陆系统研究

论述了用ＤＧＰＳ／ＳＩＮＳ／ＲＡ组合导航系统引导的某无人机自动着陆系统的总体方案，利用该无人机的小扰动线性化方程，对其轨迹控制系统进行了分析设计。在不采用速度控制系统的情况下，利用该无人机的全量微分方程，对其在各种起始状态及各种干扰下的自动着陆过程进行了仿真。仿真结果表明，着陆性能符合要求。     

舰载机自动着舰引导与控制综述

引导与控制是舰载机自动着舰的关键技术,为此本文对该技术进行综述。给出了舰载机进场航线和几种着舰工作模式,概述了基于跟踪雷达的着舰引导系统和基于卫星的着舰引导系统的工作原理及关键技术,着重分析了自动着舰的几种控制技术,包括控制律设计技术、直接力控制技术、推力矢量控制技术、甲板运动预估与补偿技术、舰尾气流抑制技术、动力补偿技术以及着舰安全控制技术。最后,从多系统集成着舰控制技术、多体制融合着舰引导技术两方面对自动着舰引导与控制技术进行了展望。     

考虑尾流影响的侧向双跑道机场的跑道容量研究

侧向跑道由于能够灵活面对强侧风的影响从而提高机场的效率,在我国大型机场的规划设计中逐渐推广。但是目前国内外在侧向跑道容量模型方面的研究较少,因此对侧向跑道的跑道容量模型的研究具有重大的意义。本文针对侧向双跑道系统,考虑了一组侧向跑道上航空器之间的尾流影响,通过计算尾流消散时间给出了侧向跑道航空器的放行条件,同时利用时序图得出在侧向双跑道系统中连续进场航空器间插入离场航空器的条件,从而构建出侧向双跑道系统的跑道容量理论计算模型;最后以成都天府国际机场一期跑道为算例,计算出尾流影响下侧向双跑道系统的小时容量,并给出航班起降架次表,验证了模型的正确性,为侧向跑道机场的跑道容量理论计算提供了参考。     

着舰导引中的H∞飞行/推力综合控制设计

以提高低动压着舰时动态跟踪及抑制舰尾气流扰动的性能为期望 ,基于线性矩阵不等式 (LMI)的 H∞ 控制理论 ,提出了保持由地速构成的迎角 αd 恒定的 H∞ 飞行 /推力综合控制增广模型结构。使飞机在接近舰尾处于雷达导引系统关闭的关键时刻 ,该系统仍有姿态保持及抑制气流扰动的优良性能 ,从而改变了传统设计需由导引系统纠正气流扰动而引起的轨迹偏离。基于工程应用 ,文中提出了 H∞ 控制器的降阶方法 ,进行了离散化实时仿真验证。仿真表明 ,本文开发的系统能够很好地满足设计要求     

直升机低速回避区计算分析

在可实现安全自转着陆的条件下,基于最小化回避区面积的思想分析预测了直升机低速高度——速度曲线。将直升机自转着陆表示成非线性最优控制问题,其状态方程使用发动机失效后增广的纵向三维刚体飞行动力学模型。采用直接转换和非线性规划的方法求解非线性最优控制问题。以UH-60直升机为例,计算了考虑1s操纵延迟的单发失效的低速高度-速度曲线,并给出了高悬停点、拐点和低悬停点的最优自转着陆过程,发现这些最优着陆过程与驾驶员的实际操纵程序一致。     

舰载机前起落架突伸的动力学分析

研究了舰载机前起落架的突伸运动，针对这个问题，文中建立了一个两自由度的质量－弹簧－阻尼器的力学模型。推导出突伸运动方程以及两种不同形式的双气室缓冲器的非线性气体弹簧力和油液阻尼力的计算公式，并通过对已有试验结果的验算说明了本模型的可行性，利用该模型，用数值方法分析，校核了某舰载机的初步设计方案，计算得到了前起落架突伸运动的位置，速度曲线，并给出突伸期间飞机在甲板上的滑行距离和攻角的增量。文中还讨论     

2.4m跨声速风洞推力矢量试验测力系统研制与应用

推力矢量控制（TVC）技术能实现飞行器过失速机动飞行，使飞行器突破失速障、增强机敏性，在改善起降性能、巡航性能等方面具有重要作用。在2.4m跨声速风洞推力矢量试验中，采用3台六分量应变天平和2个独立的空气桥系统来实现飞机模型气动力和2个尾喷管转向喷流推进特性同时分别测量。推力矢量试验模型扁平外形使测力系统的布局及结构设计受到较大限制，狭小的模型内部需布置3台六分量天平、2套独立的空气桥系统及管路、支撑系统、压力测量系统等，采用传统方式无法完成如此复杂的系统设计，更无法完成高压条件下空气桥系统与测力天平的匹配设计。在测力系统的研制中，采用了一体化设计理念和刚度匹配设计方法，结合ANSYS有限元软件较好地解决了系统各部件的布局及结构优化等问题。天平校准结果和风洞试验结果证明测力系统满足推力矢量试验需求。     

飞机主起刹车冲压空气冷却系统性能分析

从理论分析和试验研究两个角度研究了冲压空气冷却主起落架刹车系统性能随飞行条件、起落架舱反压等的变化。理论分析部分由冲压空气冷却系统进气口处的附面层理论，推导出冲压空气经过进气口的压力恢复系数，从而得到冷却系统各部分分流量的变工况特性。为验证理论分析结果，进行了冲压空气冷却系统的全尺寸模拟试验。试验结果与理论分析结果进行比较后发现两者基本吻合，说明了理论分析方法的正确性，因此本文提出的理论分析方法可为设计主起刹车冲压空气冷却系统提供理论指导。     

飞机起落架收放液压系统设计、分析与实验验证

为了通过地面实验验证飞机起落架收放系统性能,研制了可精确模拟气动载荷的起落架收放实验系统。根据收放液压系统各模块特点,基于LMS Imagine Lab.AMESim软件建立了液压收放系统的仿真模型,模拟起落架液压收放系统的收放过程,对系统进行动态仿真分析,预估实验系统性能。通过实验数据与仿真数据的对比分析,检验实验系统的正确性。结果表明:系统能够满足起落架收放实验基本功能要求,仿真结果与实验结果较为接近。     

考虑驾驶员反应特性的倾转旋翼机单发失效轨迹优化

为了能在倾转旋翼机单发失效轨迹优化的研究中考虑到驾驶员的反应特性,建立相应的增广飞行动力学模型并进行计算分析。首先,以倾转旋翼机基本纵向刚体飞行动力学模型为基础,建立旋翼拉力系数、旋翼后倒角与操纵杆量之间的关系,并引入延迟环节、惯性环节和操纵速率限制来模拟驾驶员的反应特性,形成适用于倾转旋翼机单发失效轨迹数值优化研究的增广飞行动力学模型。然后,采用直接转换法将轨迹优化对应的最优控制问题转化为非线性规划问题进行求解。最后,以XV-15倾转旋翼机为样机,计算短距起飞单发失效后的最优着陆过程,并与相关文献结果进行对比。对比结果表明:考虑驾驶员的反应特性后,优化得到的状态量、需用功率、拉力系数和旋翼后倒角变化更加柔和,着陆时间和距离有所延长,操纵杆量变化更加合理。除此之外,随着驾驶员感知延迟时间增加,最优着陆过程所需时间会增加,且着陆时触地速度也会增大,但操纵量变化趋势基本一致。考虑驾驶员反应特性的倾转旋翼机单发失效轨迹优化可以为驾驶员实施安全着陆提供更加有用的依据。     

GPS组合系统在飞机进场着陆中的应用

本文研究了用全球定位系统/捷联惯导/无线电高度表(GPS/SINS/RA)组合导航系统进行飞机精密进场着陆的可行性。提出了系统的组合方案。建立了组合系统的数学模型,应用组合卡尔曼滤波技术,按18颗导航星的布置方案,应用GPS仿真器,在考虑飞机沿3°倾斜角下滑线进行着陆飞行时,对组合系统进行了计算机仿真。仿真结果表明,当GPS接收机采用P码,或采用C/A码再使用差分和伪卫星技术时,组合导航系统能够达到国际民航组织(ICAO)提出的精密进场着陆时的定位精度要求。     

CJ1飞机在湿和污染跑道上的起飞着陆性能分析

2009年12月中国民用航空局(CAAC)下发了咨询通告《航空承运人湿跑道和污染跑道运行管理规定》(AC-121-FS-2009-33)。咨询通告给出了干、湿和污染跑道的定义并明确了相应的起飞着陆性能要求,强调了进行到达时着陆距离评估的重要性。本文结合法规对CJ1在湿和污染跑道的起飞性能和着陆性能进行了分析。     

SIMULATION OF LARGE CIVIL AIRCRAFT LANDING RESPONSE UNDER CONSIDERATIONS OF FLEXIBLE AIRFRAME

To evaluate the landing response of the large civil aircraft in the conceptual design phase , a method for simulating aircraft landing is given.The model for the shock absorber is investigated.The flexible airframe model is established using finite element model ( FEM ) to analyze its modes.Then , the whole aircraft model with flexible airframe is made for the multibody simulation.Tail-down , two-point , three-point and sideslip landing scenarios are studied.The influence on the landing performance considering mode superposition of the flexible airframe is analyzed.Both longitudinal and spanwise positions of the main landing gear are changed to research the influence on the landing performance.Results show that the method is feasible.The shock absorber axial force of the main landing gear with the flexible airframe is smaller than that of rigid airframe.The number of mode superposition and the position of main landing gear can influence the landing response.     

一种无人驾驶飞机全自动着陆系统

本文介绍了无人驾驶飞机航迹控制的全自动着陆系统的设计思想和实施措施,解决如何平稳安全回收无人驾驶飞机的问题。用这种方法对高原型无人机进行了仿真,着陆性能符合要求。采用该系统的优点是不需要修改无人机自身的结构就可以自动安全着陆。