无人机自主空中加油会合导引律研究

摘要

无人机自主空中加油技术在现代战争、科技实践中有着非常重要的作用。有效、稳定实现自主会合是无人机自主空中加油的关键环节之一。本文通过对无人机自主会合深入细致的研究分析，做了如下工作:
　　第一，对无人机自主空中加油的主流会合方式——定点式和追踪式，进行了分析比较，建立了参考坐标系，并对受油机和加油机分别建立了动力学和运动学模型，设计了相应的控制器。
　　第二，设计了一般意义上的基于航路控制点的受油机会合参考航路，提出了一种改进的非线性追踪导引律，并对受油机利用其追踪参考航路进行了分析。
　　文中分析了一般意义上受油机前往指定空域会合飞行的特点，提出了上升、水平和转向三个必要的飞行航路设计要素，设计了基于航路控制点的受油机会合参考航路。同时，在分析比较传统的追踪导引律的基础上，将一种非线性追踪导引方法同比例导引思路结合起来，假定一虚拟参考目标沿着参考航路运动，受油机追踪此虚拟参考目标，通过法向加速度调整受油机飞行速度方向，将受油机与参考点的距离由静态调整为动态，以此实现对受油机飞行导引。
　　第三，设计了一般意义上的加油机会合参考航路并分析了利用改进的非线性追踪导引律对加油机进行导引，提出了一种加油机和受油机的同步飞行导引算法。
　　在会合的第二阶段中，加油机在预定空域围绕环形航路飞行，等待受油机到达空中加油准备点ARIP。文中分析了加油机飞行的特点，对加油机参考航路进行了设计，分析了利用改进的非线性追踪导引律对加油机进行导引。当受油机到达ARIP时，首先测算加油机到达空中加油控制点ARCP的距离和时间，再通过速度控制函数调整受油机飞行速度，以此实现同步飞行。
　　最后，利用Matlab仿真软件分别对加油机与受油机会合飞行进行了仿真分析。结果表明，利用文中方法能很好仿真出加油机和受油机会合参考航路，且利用改进的非线性追踪导引律也能更好的导引无人机对航路进行追踪，两机同步飞行算法也能很好解决两机会合时速度和时间一致问题。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 空中加油发展历程

1．1．2 自主空中加油主要特点

1．1．3 无人机自主空中加油的关键技术

1．2 国内外无人机自主空中加油导引律研究现状

1．3 本文研究目标及内容安排

第二章 无人机自主空中加油会合导引系统建模

2．1 引言

2．2 两种自主空中加油会合方式分析

2．2．1 定点式会合

2．2．2 追踪式会合

2．3 参考坐标系建立及无人机运动参数定义

2．3．1 参考坐标系建立

2．3．2 无人机运动参数定义

2．4 受油机模型及控制器设计

2．4．1 受油机模型

2．4．2 受油机控制器设计

2．5 加油机模型及控制器设计

2．5．1 加油机模型

2．5．2 加油机控制器设计

2．6 本章小结

第三章 会合第一阶段受油机参考航路及其导引律设计

3．1 前言

3．2 受油机会合参考航路设计

3．2．1 受油机会合航路要求

3．2．2 基于航路控制点受油机会合参考航路设计

3．3 传统导引律

3．3．1 比例追踪导引律

3．3．2 法向追踪控制算法导引律

3．3．3 非线性追踪导引律

3．4 一种改进的非线性追踪导引律

3．4．1 虚拟参考目标选择

3．4．2 法向加速度计算

3．5 基于改进的非线性追踪导引律的受油机会合导引

3．5．1 追踪直线航路导引

3．5．2 追踪圆弧航路导引

3．5．3 导引控制流程

3．5．4 导引控制模块结构

3．6 本章总结

第四章 会合第二阶段加油机导引及两机同步飞行导引律设计

4．1 前言

4．2 加油机会合参考航路设计及其追踪导引控制

4．2．1 加油机会合参考航路设计

4．2．2 利用改进的非线性追踪导引律对加油机进行导引

4．2．3 加油机导引控制模块结构

4．3 加油机与受油机同步导引律设计

4．3．1 加油机与ARCP距离计算

4．3．2 加油机与受油机同步算法

4．4 本章小结

第五章 仿真及分析

5．1 前言

5．2 改进的非线性追踪导引律与非线性追踪导引律仿真分析

5．2．1 导引无人机沿直线航路飞行仿真

5．2．2 导引无人机沿弧线航路飞行仿真

5．3 受油机航路仿真及基于改进的非线性追踪导引律导引仿真

5．3．1 受油机参考航路仿真

2．3．2 导引受油机沿设计会合航路飞行仿真

5．4 加油机参考航路仿真及基于改进的非线性追踪导引律导引仿真

5．4．1 加油机参考航路仿真

5．4．2 基于改进的非线性追踪导引律加油机导引仿真

5．5 加油机与受油机同步飞行仿真

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 后续研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与科研项目

致谢