无人机自动空中加油精确对接控制

针对无人机自动空中加油对接段的精确控制问题,提出了无人机自动空中加油的控制方案和策略,并在分析加油机尾涡干扰和加油锥套自由摆动及其对受油机影响的基础上,设计了适用于自动空中加油精确对接控制的受油机参考轨迹发生器和轨迹跟踪控制器.轨迹跟踪控制器采用线性二次型调节器方法,并充分考虑了加油过程中各种干扰的影响.仿真结果表明,该导引控制方法具有良好的快速性和抗干扰能力,可以满足空中加油的任务要求.      

软式自主空中加油控制策略仿真

软式自主空中加油（AAR）技术因其对加油设备的改装需求少且可应用于多种加油场景而受到广泛研究，但对于从起飞到加油结束脱离这一整套飞行控制流程的研究较少。针对软式AAR技术中的会合、编队、对接、加油、脱离5个阶段的控制策略进行研究。首先，分别设计了所对应的飞行指令回路控制律及导引律，通过对国内外空中加油试飞经验和试飞流程的研究，建立了“有人-无人”、“无人-无人”2种不同模式下软式AAR各阶段的控制机制，并分析了2个控制策略的差别。其次，以K8飞机和某飞机为加受油平台，建立完善的多模态控制策略，采用传统的PID控制方法，并通过极点配置法得到各模态的反馈增益和前向增益，使加受油机在多模态综合控制下达到期望的速度、角度等。同时，基于试飞经验数据设计软式AAR各阶段的全过程控制律。最后，对所设计控制律进行仿真验证，结果表明:所设计的控制策略合理可行，控制方法具有较强的抗干扰能力和较高的跟踪精度。      

燃料电池无人机动力系统半实物仿真

针对燃料电池无人机（UAV）动力系统飞行测试困难的问题，为了提升动力系统设计与开发水平，以燃料电池、锂电池、DC/DC功率转换器、电子调速器和直流无刷电机组成的动力系统作为实物介入，无人机动力学、自动驾驶仪、螺旋桨、飞行环境等数学模型为软件部分，无人机的油门信号控制及飞行过程中电机的载荷等为模拟仿真部分，以信号发生器、测功机及扭矩加载装置为软硬件接口，设计并搭建了燃料电池无人机动力系统半实物（HIL）仿真平台。面向典型任务剖面，基于状态机管理策略，对燃料电池/锂电池电动无人机的动力系统进行了半实物仿真研究，分析了半实物仿真平台和管理策略的有效性和实用性。      

基于双目视觉的自动空中加油近距导航方法

为解决插头锥管式自动空中加油中的近距精确导航问题,提出了一种基于双目视觉的近距导航方法.该方法使用受油机上的两个摄像机拍摄加油锥管端面上光学标记的图像,采用轮廓跟踪法检测图像中的光斑区域,并将其灰度重心作为光学标记的像点,根据对极几何约束完成像点的匹配,利用空间圆形拟合法计算加油锥管的位置和姿态.建立了空中加油的三维虚拟场景对该导航方法进行仿真验证,仿真结果表明,该方法在近距离加油对接时具有很高的位置和姿态测量精度,可以满足自动空中加油的需要.      

基于扩展卡尔曼滤波的舰机相对位姿估测

通过将基于扩展卡尔曼滤波的长序列图像分析方法与单目视觉技术相结合,把无人机自主着舰视觉导引中舰机间相对位姿的估测,转化为机载摄像机对着舰靶标平面3D位姿的实时估测问题.首先根据透视投影理论,建立了以摄像机的透镜中心为原点且Z轴与光轴重合的摄像机坐标系和世界坐标系,然后利用机载摄像机连续拍摄的靶标图像序列,选择描述相对运动的3个欧拉角、平移向量及它们的速度作为状态变量;由靶标角点的提取和帧间匹配,建立了反映着舰靶标上特征点的图像坐标和状态变量之间关系的观测方程,带入扩展卡尔曼滤波器,估测出舰机的相对运动参数.计算机数据仿真和基于DSP平台的半实物仿真试验验证了算法的有效性和鲁棒性.      

月球轨道交会对接任务辅助预报系统设计与验证

针对月球轨道自主交会对接制导、导航与控制(GNC)系统任务特点,设计一种基于人机协同框架的月球轨道自主交会对接过程辅助预报系统.该系统包括利用机器学习方法构建交会对接安全性规则知识库和安全性辅助预报两个部分.首先,在地面半物理仿真试验环境中,对导航监视相机拍摄的图像进行特征提取和匹配,利用图像特征与交会对接偏差组成训练样本对,用决策树方法构建安全性规则知识库.然后,利用安全性规则知识库,根据交会对接飞行过程中监视相机拍摄的当前状态的图像预报交会对接后续过程的安全性,给出成功的概率.通过地面半物理实验表明,该系统能够提升飞行控制过程中的智能化水平,有效协助地面飞行控制人员进行数据监视与任务决策.     

航天器集群控制与规划算法仿真验证平台设计

航天器集群作为一种新兴的多航天器协同模式，已经成为分布式空间系统的一个重要研究课题。很多关于航天器集群的关键技术需要在地面进行仿真、分析和验证。针对上述需求，设计了一种仿真验证平台，在地面实现了对航天器智能集群导航、规划与控制算法的全物理分析和验证。首先，给出了仿真验证平台的几种位姿识别方案，重点分析了一种基于单目相机的全局位姿识别技术，提出了一种基于气浮技术的航天器集群控制与规划算法仿真验证平台的总体设计方案，并定义了集群的运动场行为函数，设计了基于滑模控制的路径规划算法。最后，通过仿真验证了本方法的可行性和有效性。     

盘旋跟踪地面目标小型无人机控制系统设计

针对一种大展弦比、V形尾翼常规布局小型无人机盘旋跟踪地面目标飞行的飞行控制策略进行了研究.采用了一种单轴光电探测系统修正视场纵向误差,无人机航向控制修正视场横向误差的控制方法.设计了一种自适应PID(Proportion Integration Differention)控制器,并通过对无人机六自由度非线性运动模型的建模分析,进行了控制律的仿真验证,并将算法融合在盘旋跟踪飞行实验中.仿真及实际飞行实验结果表明:该控制系统在突风等大扰动的影响下获得了良好的动态性能指标,并有效地抑制了飞机姿态通道对视轴通道的耦合影响,满足了飞行任务的需求.     

"人在回路"无人飞艇半实物仿真系统设计与实现

为开展某型无人飞艇系统的地面集成及飞行仿真试验,基于VxWorks实时操作系统、Matlab/Simulink和RTW(Real Time Workshop)快速原型建模仿真软件、FUTABA数据采集系统和三维视景系统,开发了具有高精度、高实时性的半实物仿真平台以及仿真软件.该系统的最大创新点是加入了FUTABA遥控设备以及PWM(Pulse Width Modulation)/RS-422的信号转换模块,从而将飞行员的视觉感受及操纵输出接入到仿真回路中,实现了在全遥控、半自主和自主3种模式下的"人在回路"仿真.仿真试验结果表明:"人在回路"的飞行仿真试验可验证控制律的3种模式切换功能以及姿态、航迹控制效果,提高了飞行员对该型飞行器的操纵熟练程度,可以实现在应急情况下直接控制无人飞艇平稳着陆.      

轮式起降无人机安全起飞纵向控制

为了提高无人机在风干扰下的起飞安全性,对无人机常规起飞纵向控制方案加以改进,提出了基于直接升力控制的安全起飞纵向控制方案.采用由低通滤波器和超前补偿通道组成的组合滤波方案,用以解决所提出控制方案中无人机升降速度信号的精确获取问题,通过所研制的专用升降测试台和基于频谱分析的设计方法,对组合滤波方案进行了参数选取和仿真验证.基于Matlab/Simulink仿真环境建立某型无人机的全量非线性数学模型,通过仿真设计相应的襟翼偏转控制律.仿真结果表明,应用组合滤波方案获取的升降速度信号精度较高,满足起飞控制的使用要求.安全起飞纵向控制方案可显著增强无人机的抗干扰能力,从而提高起飞过程的安全性.     

软管锥套式空中加油系统建模与特性分析

针对自主空中加油研究中软管锥套运动模型过于简化,现有建模方法又存在成本高、计算量大、软管长度恒定等缺陷的问题,根据集中参数法原理,提出了一种长度可变的多级串联理想单摆系软管锥套运动模型.同时考虑软管收放、加油机牵连运动、重力、定常流、大气扰动、加油机尾流等内外部因素,推导了迭代形式的变长度软管锥套三维运动方程.由摆长约束导出了求解软管拉力的代数线性方程组,进而给出了模型稳定性证明和适用条件.通过数值仿真,测试了锥套阻力、平衡位置、软管收放等稳态特性,分析了加油机滚转运动、尾涡流场对软管锥套的动态影响以及软管甩鞭现象的产生机理.数值仿真结果验证了所建模型的有效性.      

光流控制地形跟随与自动着陆

将一种自研的光流传感器安装到飞行平台上,利用光流信息控制飞行器的地形跟随和自动着陆.测试了光流传感器的测量性能,建立了飞行器的运动模型,开发了基于光流反馈的地形跟随控制算法,提出了光流自动着陆的控制规律,并进行了数学仿真和硬件在回路的实时仿真验证,实验结果表明:光流信息可以一种相对简单的形式来巧妙地同时控制飞行速度和飞行高度,保证飞行器安全地执行多种飞行任务,实验证明了光流传感器在飞行控制中具有工程可行性.     

空中加油软管“甩鞭”现象安全性分析与仿真验证

对于软管式空中加油系统，由于受到加油机尾流、大气紊流、受油机艏波、飞行员操作水平、燃油压力脉动等各种因素干扰，加油软管难以稳定在平衡位置，在对接时常发生软管“甩鞭”现象（HWP）。软管“甩鞭”现象严重影响了空中加油任务的安全性，降低对接成功率，是空中加油过程的一种典型危险。基于系统理论事故模型和过程模型（STAMP）理论和系统理论过程分析（STPA）方法对空中加油过程的典型危险——HWP，开展了具体的致因分析，从控制模型的角度系统分析导致HWP发生的不安全行为和相应的致因场景，从系统层、不安全控制行为层和致因因素层分别提出避免空中加油软管HWP发生的一系列安全约束。根据软管HWP的危险功能控制结构，利用Simulink工具搭建仿真验证平台，以对接速度、卷盘机构控制、软管长度关键致因为模型输入，验证所提安全约束的准确性和可行性。      

面向空中威胁的无人机动态碰撞区建模与分析

针对现有方法一般是基于时间或距离的定值来确定碰撞区域的问题,提出了一种基于入侵机和无人机(UAV)运动信息的无人机动态碰撞区建模方法.首先,根据无人机与入侵机的运动状态、两机之间的最小安全距离等信息,通过几何方法得出无人机不采取任何规避机动时两机将发生碰撞区域的解析表达式,即无机动碰撞区数学模型;其次,考虑无人机的机动能力约束,计算了无人机采取最大过载转弯机动(左转或右转)时两机恰好避免碰撞发生的边界,即最大机动碰撞区数学模型;在此基础上,提出了不可规避区的概念;进而定义了安全飞行包络,它是无人机能够规避入侵机威胁的分界线;最后通过理论和仿真结合分析了影响各区域的主要因素.仿真与分析结果表明所建碰撞区不仅可以帮助无人机选择规避机动方式,而且能够帮助无人机判定常规避撞机动是否失败,并使无人机及时采取最大过载转弯机动,对无人机安全避撞决策具有实际参考价值.      

一种无人机通用综合检测系统

为了增强无人机系统检测控制设备的通用性,提高检测精度,设计了一种基于面向仪器系统的PCI扩展(PXI)总线及虚拟仪器(VI)的无人机通用综合检测系统.针对无人机系统工作的特点,从功能设计、体系结构、软硬件设计等方面对该系统的通用性进行了探讨.该系统采用了虚拟仪器技术,硬件设计采用PXI体系结构,软件以LabWindows/CVI作为开发平台.通过配备不同的接口适配器和对软件参数设置进行相应更改,可适用于不同型号的无人机电气、舵机、发动机、起飞和回收等系统检测.同时提供矩阵输出,利用系统资源满足无人机各种信号测试/激励的需求.该系统已成功应用于某复杂型号无人机的地面综合检测.      

无人飞行器自主着舰实时场景的仿真实现

为给垂直起降无人飞行器视觉自主着舰算法研究提供经济可行的解决方案,实现了无人机自主着舰场景的软件仿真以提供算法研究中所需的合格场景图片.基于机器视觉理论,通过分析无人飞行器机载摄像机在自主着舰时考虑了透镜畸变参数的针孔成像模型,给出了无人飞行器着舰靶标的成像公式,并介绍了软件仿真中畸变模型实现时出现的问题及解决办法.为了使仿真图像更逼真,综合考虑了无人飞行器着舰实时场景中所存在的主要干扰,如光照不匀,运动拖影及电气噪声和大气流动和海面悬浮颗粒造成的白噪声等,在C+ +和Windows环境下实现了无人飞行器自主着舰的仿真图像和数据的实时生成.最后展示了部分仿真结果.