[发明专利]一种基于姿态/轨迹复合控制的软式空中加油对接方法

说明书

本发明公开了一种基于姿态/轨迹复合控制的软式空中加油对接方法，属于无人机导航制导与控制技术领域。所述方法首先建立反映变化风场影响的仿射非线性型受油机质心/插头运动综合模型；采用LESO对总干扰项进行估计；采用反步设计思想和自抗扰控制方法设计插头运动轨迹控制通道控制器；设计插头运动姿态控制通道控制器；基于所设计的插头运动轨迹控制通道和插头运动姿态控制通道控制器，设计角速度控制器；结合受油机各通道和回路的控制器，完成基于姿态/轨迹复合控制的软式空中加油对接方法。本发明可以提高受油机对接控制系统对多重复杂气流扰动影响的主动抗扰能力；解决受油机/插头对加油锥套的跟踪滞后问题，并且易于工程实现。

技术领域

本发明属于无人机导航制导与控制技术领域，具体涉及一种基于姿态/轨迹复合控制的无人机软式空中加油对接方法。

背景技术

无人机因其具有性价比高、使用灵活、生存能力强、可执行高风险任务、不受飞行员生理条件限制等优势，在很多领域得到广泛应用；无人机自动空中加油是利用加油机在空中为飞行中的无人机补充燃料的技术，是提高载弹量、增加飞行器作战半径和滞空时间、缓解飞行性能和起飞重量间矛盾的重要途径。随着近年无人机技术的迅猛发展，对无人机空中加油技术的需求日益强烈，并且有必要使空中加油技术自主化，以实现高精度、高安全和高效率的自主空中加油，具有重要的理论意义和工程应用价值。

对于目前广泛应用的插头锥套式空中加油，柔性结构的加油软管-锥套组合体受加油机的拖曳，并在加油机尾涡流场、不确定性大气紊流以及受油机靠近时的气流前扰的综合影响下，会出现不规则摆动现象，严重影响加油对接的顺利进行。而受油机也同样处于尾涡流场和不确定性大气紊流作用下。如何控制受油机使其与多重扰动作用下飘忽不定的锥套实现精准对接进而实现软管式自主空中加油具有重要的意义。目前的加油对接控制系统设计中往往面临两个比较棘手的问题：第一，由于多重复杂气流扰动的影响，目前的加油对接控制系统往往不足；第二，由于锥套的飘摆运动特性要远远快于受油机的动态响应，这也造成了空中加油对接控制中另外一个非常棘手的问题，即受油机/插头在跟踪快变锥套时的跟踪滞后。

目前在软管式自主对接控制方面，国内外取得了许多卓有成效的研究成果，但总体而言，多重复杂扰动条件下自主对接控制的效果并不理想。而国内外在人工控制的空中加油实践方面却非常成功，经过艰苦的训练，战斗机飞行员往往能够达到很高的空中加油对接成功率。飞行员往往是在充分了解受油机性能的基础上，根据插头和锥套之间的误差，控制插头实现对接，控制的快速性和自由度上更有优势。事实上，目前国内外研究中大多采用的通过质心位置间接控制插头位置方法在一定程度上制约了对接性能的提升。由于受油插头状态受质心轨迹运动状态和绕质心姿态运动状态的双重影响，而姿态运动状态的变化相比轨迹运动要快得多，因此这种直接控制受油插头位置变化实现对接的方法，比起控制质心位置间接控制插头的方法无论从控制的快速性还是控制的自由度方面都更具优势。

发明内容

本发明的目的是为了解决多重复杂干扰作用下无人机自主空中加油精准对接控制问题，提出一种基于姿态/轨迹复合控制的软式空中加油对接方法，具体包括如下步骤：

步骤一、建立反映变化风场影响的仿射非线性型受油机质心/插头运动综合模型。

步骤二、针对步骤一中受油机质心/插头运动仿射非线性模型形式，采用线性扩张状态观测器LESO对总干扰项进行估计，得到估计补偿值，并在受油机跟踪控制器设计时予以补偿；

步骤三、基于步骤二得到的总干扰项估计补偿值，针对步骤一中受油机仿射非线性运动模型，采用反步设计思想和自抗扰控制方法设计插头运动轨迹控制通道控制器，包括地速回路、位置回路、航迹角回路和姿态回路控制器。

步骤四、设计插头运动姿态控制通道控制器；

步骤五、基于步骤三、四中所设计的插头运动轨迹控制通道和插头运动姿态控制通道控制器，设计角速度控制器。