软管式自主空中加油受油机控制系统研究

１ 受油机动力学模 型的建立
空 中加 油 分 为 会 合 、对 接 、加 油 和 分 离 四 个 阶 段 。软管 式空 中加 油 过 程 中 ，受 油 机按 照 指 令 程
科 学 技 术 与 工 程
１１卷
序与加 油 机 在 指 定 空域 会 合 ，加 油 机 放 下 加 油 锥 Ｙ＝［ ，ｌ，，ｚ］ ，为 受油 机插 头 在 地 面 惯性 坐 标 系 下
受 油 机接 近并 动态 跟 踪 加 油机 ，实现 与加 油 锥 套 的 的 自主空 中加 油 研 究 起 步较 晚 ，发 展 空 间 较 大 ，而
精 确对 接 。 目前 可 以 采 用 不 同 的 控 制 理 论 和 方 法 且 软管 式 自主空 中加 油 控制 系统 干 扰 较 多 ，增 加 了
第 １１卷 第 ８期 ２０１１年 ３月 １６７１— １８１５（２０１１）８—１７５５—０７
航 空 航 天
科 学 技 术 与 工 程
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＶｏＬ １１ Ｎｏ．８ Ｍａｒ．２０１１
⑥ ２０１ １ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．
当前 迫切 需要 解决 的关 键课 题 之一 。 本文 针对 软管 式 自主空 中加 油 过程 ，为实 现 受
油插 头对 加油 锥套 的动 态 跟 踪 与对 接 ，假 定 受 油 机 与加油 机之 间的相对 位 置通 过 ＤＧＰＳ或者 视觉 传 感 测 量 获得 ，采用 参考 轨 迹 观 测 器 实 时估 算 出受 油 机 期 望跟 踪 的状态 量 与 控 制量 ，并 通 过全 状 态 反 馈控 制 ，实现 对受 油机 的飞行控 制 。
文献标志码 Ａ
空 中加油 （Ａｉｒ—Ａｉｒ Ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ，ＡＡＲ）技 术是 在 空 ２００７年 完成 了 自主空 中加 油 的验 证 工 作 Ｊ。我 国
中一 架航 空 器 给ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ另 一 架 或 数 架 航 空 器 （或 直 升 机 ） 在 １９９２年 完成 了首 次 空 中加 油对 接 ，并 于 ２００５年
考观测器 的全状态反馈 控制方法设计 了受油机 的飞行控制 系统。首先根据 ＤＧＰＳ或 者视 觉传 感器测量 的加油机 与受 油机 的
相对位置 ，设 计 了参考 轨迹生成模块 ，实时生成受油机期望 的平滑飞行轨迹 。然 后通过 一个输 出跟踪 观测器在 线估算 出前馈
控 制 信 号 和 参 考 状 态 量 。基 于 估 算 的状 态 量 设 计 一 个 全 状 态 反 馈 控 制 器 。 最 终 实 现 对 参 考 状 态 的 精 确 跟 踪 ，保 证 受 油 插 头
软 管 式 自主 空 中 加 油 受 油 机 控 制 系统 研 究
刘 翌 袁 锁 中 周 春 华
（南 京 航 空航 天 大 学 自动化 学 院 ，南 京 ２１００１６）
摘 要 针对软管 式空 中加 油过程 中加油锥套 受气流扰 动影响，受油机受油插 头难 以与之 实现精确 对接的 问题 ，提 出基 于参
套 ，受 油机 飞行 员 控 制 飞机 ，实 现 受 油 插 头 与 加 油 的空 问位 置 变 化 量 。空 中加 油 的 过 程 要 求 实 现 受
锥 套 的对 接 ，装 在加 油 机 吊舱 内的燃 油 泵 将加 油 箱 油机 受油插 头 与加 油 机 加 油锥 套 实 现对 接 ，也 即受 内的燃油 经 输 油管 输 往 受 油机 油 箱 ¨ 。加 油 时 受 油插 头与加 油锥套 在地 面坐标 下 的相 对位 置为零 。
２０１０年 １２月 ２１ １３收 到 国 家 自然科 学 基金 （６０６７４１００）、南 京 航 空 航 天 大 学基 本 科 研 业 务 费专 项 科 研 项 目基 金 （Ｖ１０８３－０３１）资 助
第 一 作者 简介 ：刘 墅 （１９８７一 ），女 ，江 苏 盱 眙 人 ，汉 族 ，硕 士 生 。 研 究方向 ：飞行控制与仿真 。
与加油锥套的精确对接和位置保持 。仿真 结果 表明 ，在 四种 强度 阵风 干扰 下，控 制器 能 实现精确 的双机 空 中加 油设备跟踪对
接 ，具 有 良好 的 动 态 性 能 与 鲁棒 性 能 。
关 键 词 软 管 式 加 油 参 考 观 测 器 全 状 态 反 馈 飞 行 控 制
中 图法分类号 Ｖ２４９．４；
鲁 棒控 制和定 量 反馈 理 论 Ｊ，比例 导 引 和 视线 法 ［ 等 ，这些 方法 能 够 实 现 自动 空 中 加 油 ，但 由于 控 制 方法 的先 进性 和复 杂 程 度 ，在 工 程 实 现 和 作 战应 用 上 ，存 在较 大 的难度 。
美 国军 方 于 ２００４年 开始 开 展 无 人 机 自主 空 中 加 油 系统 的研制 工作 ，分别 采 用 ＧＰＳ，机 器视觉 识 别 等 方法 测量 受油机 与 加 油锥 套 之 间 相 对 的距 离 ，于
加注 燃油 ，使其 航 程 加 大 ，续 航 时 间增 长 ，有 效 载荷 首次 成功 实施 多 吨 量 的空 中 加 油 。 自主 空 中加 油
增加 的技 术 ＿】．２ Ｊ。空 中加 油 自出 现 起 ，就 以其 在 军 的理 论研 究也 处 于有 步 骤 地 发展 阶段 ，例如 基 于 输
事行 动 中的重 要作 用 而 日益 受 到各 国 的广 泛 重 视 ， 入 一输 出非 线 性反 馈 线 性 化 方 法 研 究 了硬 式 空 中加 分为 软 、硬 式两 种 加 油 方 式 。软 管式 空 中加 油 要 求 油 的控 制 系统 ¨。。。相 比美 国等 其他 发 达 国家 ，我 国
控 制受 油机 跟踪 和 动态 对 接 加 油机 的过 程 ，如 ＬＱＲ 对 接难 度且 降低 了安 全 性 。 因此 ，开 展 软 管式 自主
和 的方 法 ＿３＇４ Ｊ，神 经 网络 和 自适 应 控 制 方 法 ＿５］， 空 中加 油研 究 ，提 高 空 中加 油 的成 功 率 和 安全 性 是