多重复杂干扰作用下无人机自主空中加油安全精准对接控制理论与方法

Autonomous aerial refueling is the necessary ability for future advanced unmanned combat aerial vehicle, and docking control process is the key factor of successful autonomous aerial refueling. Tanker and receiver aircraft fly in high intense formation with the multiple complex interferences in docking process, so the precise docking control technique on the premise of exact collision avoidance becomes the unavoidable bottleneck which need to be broken in the autonomous aerial refueling mission...This research focuses on the basic bottleneck question of the precise docking control for the probe and drogue aerial refueling with multiple complex interferences. On the basis of preliminary researches and deep analysis for the substantive characteristics of the accurate docking control of piloted aerial refueling, the receding horizon predictive target with variable length is introduced. Then, together with the active anti-disturbance control methods and the direct control of the probe’s dynamics, the accurate docking can be achieved. Besides, combine the refueling docking control with the safe collision avoidance strategy between the tanker and the receiver aircraft organically, to carry out some innovative research of the autonomic, safe and precise docking control theories and methods for probe and drogue aerial refueling system, based on the direct/predictive integrated target guidance, the direct disturbance rejection accurate tracking control of the probe, the safety assessments for collision avoidance and the conflict resolution between the receiver and tanker during the air refueling. Then the theory proposed will be verified by sufficient simulations and SUAV flight tests. With the successful implementation of the research, it will provide a novel theory and method for the docking control of the probe and drogue aerial refueling, which will bring great important value in theoretical research and engineering application.

自主空中加油是未来先进无人战机必备的能力，对接控制是决定自主加油成败的关键。对接过程中加、受油机超密集编队飞行，同时面临多重复杂干扰的影响，实现安全避撞前提下的精准对接是自主空中加油必须突破的技术瓶颈。.本项目聚焦于多重复杂干扰作用下软管式自主空中加油安全精准对接控制这一瓶颈基础科学问题，在前期研究工作和对人工操纵的空中加油对接控制本质特征深入分析的基础上，引入变长度滚动时域预瞄目标、采用主动抗干扰控制方法、直接控制受油插头实现精准对接；并将对接控制与对接过程中加、受油机间的安全避撞有机结合，开展创新性的基于直瞄/预瞄复合引导、受油插头位置抗扰动精准跟踪直接控制、执行对接的双机间避撞安全性评估与冲突消解的软管式自主空中加油安全精准对接控制理论与方法研究，并进行实验验证。本项目的成功实施，将为软管式自主空中加油对接控制提供一种全新的理论和方法，具有重要的理论意义和工程应用价值。

本项目针对多重复杂干扰作用下软管式自主空中加油安全精准对接控制这一瓶颈基础科学问题，借鉴人工对接的成功经验，结合抗干扰控制理论和新一代人工智能技术，主要从以下几个方面开展研究并取得了具有一定国际影响力的创新性成果：（1）基于主动抗扰二元控制框架和高阶滑模理论，提出了受油机质心运动抗干扰精准控制方案，具有控制精度高，抗干扰能力强的特点，为项目研究提供了基础控制构架；（2）在基于深度学习的锥套运动位置预测模型研究基础上，提出了直瞄/预瞄复合的对接引导策略，有效减弱了对接控制中存在的插头跟踪滞后；（3）通过对插头动力学的深入研究，提出了基于受油机质心/插头运动（平动/转动）综合控制的对接控制方法，提高了对接精度；（4）提出了插头直接控制和机器学习预瞄策略相结合的对接控制器，增强了插头对锥套跟踪的快速性和抗扰能力；（5）提出了基于新型永磁同步电机伺服收放的软管-锥套组合体甩鞭抑制方案，实现了对于受油机对接过冲引起的甩鞭振动现象的高效抑制；（6）针对空中加油极高的对接安全性要求，结合深度学习方法，提出了基于数据驱动的对接安全可达集构建方法、对接安全优化方法以及基于轨迹映射网络的无人机实时可飞轨迹规划方法，有效提高了对接安全性和对接成功率；（7）提出了传统方法与深度学习等智能方法相结合的锥套检测、跟踪与定位方法，构建了空中加油锥套感知和高精度测量方案，开发了相应的实物系统，实现了对模型锥套的实时高精度感知与测量；（8）构建了分布式全数字仿真实验系统和包含视觉引导和对接控制原理样机的半实物仿真系统，并进一步引入无人机和锥套运动模拟装置，充分验证了项目所提出的多重复杂干扰作用下无人机空中加油对接引导与控制理论与方法的有效性、适应性和鲁棒性。本项目研究工作为软管式自主空中加油对接控制提供了一种全新的理论和方法，具有重要的理论意义和工程应用价值。