硬式空中加油系统建模与控制

本书以硬式空中加油系统动力学建模与控制为主线，较全面地介绍了硬式空中加油技术。在系统建模方面包含了加油伸缩管结构分析及计算流体动力学仿真，加油伸缩管的刚性/弹性建模，以及加油机加油伸缩管受油机的三机耦合多体动力学建模，同时创建了加油过程中的流场环境模型。在加油系统的控制方面，涉及会合阶段加油机与受油机会合导引设计，对准阶段双目视觉跟踪技术以及加油伸缩管的姿态控制，对接阶段的自动卸荷及受油机的定点跟踪技术。基于硬式空中加油基本理论建立硬式加油地面半物理试验平台，完成硬式空中加油的地面仿真，为空中试飞提供了依据，同时，对于硬式空中加油技术的发展具有一定的指导作用。
本书包含了流体力学、系统动力学、飞行控制、会合导引、视觉跟踪、非线性控制、编队飞行等内容，能够帮助读者更好地了解硬式空中加油在飞行各个阶段所涉及的相关技术。适合从事空中加油、动力学建模、飞行控制、非线性控制、视觉对准等研究领域的研究生、科研人员仔细研读。

目录



前言

主要符号表


第1章硬式空中加油简介

11硬式空中加油的起源与发展

12硬式空中加油技术的研究意义

13硬式空中加油的基本流程

14硬式空中加油的研究现状

141硬式空中加油系统建模及风场环境建模

142硬式空中加油控制方法设计

143地面半物理仿真试验

15本书结构安排

第2章加油伸缩管结构分析

21三维几何建模

22模态分析

221模态分析基本理论

222模态分析过程及结果

23气动特性分析

231网格绘制

232气动参数模拟

233计算结果与分析

24本章小结

第3章硬式空中加油系统建模

31坐标系

311坐标系的定义

312坐标系之间的转换

32加油伸缩管刚体建模

321建模假设

322伸缩管定点运动的欧拉动力学方程

323伸缩管动力学模型

324伸缩管的线性模型

33加油伸缩管弹性建模

331加油伸缩管的动能和重力势能

332伸缩管运动方程

34加油系统多体动力学建模

341牛顿欧拉动力学方法

342加油系统多体动力学模型

35本章小结





硬式空中加油系统建模与控制




目录


第4章硬式加油风场环境建模与分析

41加/受油机风场环境建模

411加/受油机远距风场组件模型

412加/受油机远距风场模型分析

413加/受油机近距风场组件模型

414加/受油机近距风场模型分析

42基于矢量三角形的风场在线估计

421基于速度的风场估计方法

422基于位置的风场估计方法

423两种矢量三角形方法的对比分析

424矢量三角形方法的估计精度

43加/受油机联合风场估计方法

431分频信息融合方法提出

432风信息特征量的获取

433特征量数据关联分析

44本章小结

第5章硬式空中加油自主会合导引设计

51分数阶微积分

511分数阶微积分理论

512分数阶微积分逼近算法

513分数阶系统稳定性判定

52分数阶滑模控制

521趋近律设计

522分数阶滑模控制律

523分数阶滑模特性分析

53风扰环境下分数阶滑模自主会合导引律

531会合过程的模型

532带有末端约束的导引律设计

533自主会合仿真

54本章小结

第6章硬式空中加油自动对准视觉跟踪技术

61图像采集与图像预处理

611图像采集

612图像预处理

613特征提取

62基于视觉的机动目标快速跟踪方法

621基于模板匹配的跟踪算法

622基于MeanShift的跟踪算法

623HSV模型和形态学相结合的跟踪算法

624预估跟踪算法

63双目视觉定位目标

631坐标系转换

632摄像机标定

633目标三维坐标解算

64坐标系转化与跟踪路径规划

641坐标系转化

642跟踪路径规划

65本章小结

第7章硬式空中加油对准姿态控制

71基于混合灵敏度思想的弹性加油伸缩管姿态控制器

711弹性加油弹性伸缩管模型降阶

712混合灵敏度思想

713基于混合灵敏度思想的最优PID控制器

714仿真结果分析

72基于超螺旋滑模的加油伸缩管姿态控制

721滑模变结构控制理论概述

722滑模变结构控制的特性

723高阶滑模控制

724刚体加油伸缩管姿态控制律

725基于超螺旋滑模控制的弹性抑制控制律

726系统稳定性证明

727仿真结果分析

73本章小结

第8章硬式加油自动卸荷及受油机定点跟踪技术

81自动卸荷原理

82自动卸荷方案设计

83对接应力模型建立

84自动卸荷控制

841刚体模型的自动卸荷控制

842加油伸缩管弹性作用下的自动卸荷

85受油机定点跟踪技术

851相对位置空间

852受油机姿态和速度保持

853定点跟踪控制器

854仿真试验

86本章小结

第9章硬式加油地面半物理试验

91半物理试验平台总体方案设计

911机械系统设计

912试验驱动平台控制系统设计

92试验平台动力学建模

921俯仰通道主要力矩

922滚转通道主要力矩

923摩擦力矩模型

924动力学模型的建立

93姿态角跟踪控制律设计及仿真验证

931补偿控制器的设计

932双反馈控制器的设计

933仿真分析

94加油伸缩管姿态角跟踪控制器的工程实现

941运行测试

942正弦跟踪测试

95本章小结

参考文献

屈耀红，1971年生，陕西合阳人，西北工业大学自动化学院副教授。主要从事飞机空中加油、无人机组合导航及在线风场估计、多机协同控制以及定位等研究。曾主持完成国家自然科学基金、航空科学基金、陕西省重点研发计划、横向课题等10多个相关项目，先后参与国家总装预研、空装预研、装发预研等项目。相关研究工作获国防科技进步一等奖、二等奖，以及中航集团一等奖、三等奖各1项。在国为外学术期刊、会议上发表论文50余篇，获得国家发明专利以及软件著作权10余项。