Адаптивное автоматическое управление полетом беспилотного летательного аппарата на этапе сближения и стыковки процесса дозаправки топливом в воздухе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Чеглаков, Дмитрий Иванович

• Чеглаков, Дмитрий Иванович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Чеглаков, Дмитрий Иванович

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор исследований и постановка задачи автоматического управления процессом стыковки БЛА с ЛА-танкером для дозаправки

1.1 Обзор исследований по проблеме автоматизации дозаправки в воздухе ударного БЛА

1.1.1 Подходы к формированию систем автоматического управления процессом дозаправки топливом в воздухе

1.1.2 Обзор натурных испытаний процесса автоматической дозаправки

1.2 Постановка задачи автоматического управления БЛА на этапе стыковки

1.2.1 Физическое описание процесса дозаправки в воздухе

1.2.2 Математическая постановка задачи автоматического управления

БЛА на этапе стыковки

1.3 Выводы по главе 1

Глава 2. Разработка системы автоматического управления БЛА на этапе сближения и стыковки с танкером при дозаправке топливом в воздухе

2.1 Сравнение процесса стыковки с процессом самонаведения

2.2 Структуризация задачи с учетом терминальных требований к стыковке

2.2.1 Линеаризация модели ЛА с учетом особенностей задачи стыковки

2.2.2 Учет взаимовлияния танкера и заправляемого БЛА

2.2.3 Учет динамики двигателя

2.3 Специфика структуры алгоритмов управления БЛА на этапе маневрирования для стыковки с танкером

2.4 Формирование требований к быстродействию исследуемой системы

2.4.1 Модель поведения системы шланг-конус

2.4.2 Определение требований по tпп и ^ к динамике движения БЛА

2.5 Ы-адаптивное управление для скалярного случая как основа синтеза

алгоритмов автоматического управления БЛА

2.5.1 Построение алгоритмов L1 на основе выходных параметров системы

2.5.2 Выбор параметров адаптивного алгоритма

2.6 Применение наблюдателей состояния в алгоритме управления БЛА

2.6.1 Преимущество применения наблюдателей состояния для определения скорости изменения рассогласования штанга - конус

2.6.2 Синтез наблюдателей состояния по Люинбергеру

2.7 Синтез алгоритмов управления

2.7.1 Ы-адаптивное формирование управления в каналах стабилизации заданных значений угловых скоростей

2.7.2 Алгоритм отработки (стабилизации) заданного угла крена

2.7.3 Алгоритм компенсации рассогласования ДY на конечном этапе

стыковки

2.7.4 Алгоритм компенсации рассогласования Д7 на конечном этапе

стыковки

2.7.5 Алгоритм отработки АХ зад и АХзад с использованием полученного наблюдателя состояния по Люинбергеру

2.7.6 Синтез алгоритмов стабилизации АУзад и АYзад

2.7.7 Синтез алгоритмов стабилизации АЬ зад и А/зад

2.8 Выводы по главе 2

Глава 3. Разработка вычислительных систем и стендов ПНМ для

исследования и реализации управления БЛА на этапе стыковки

3.1 Учет возмущений и структурных особенностей нелинейных

математических моделей и программного обеспечения

3.1.1 Особенности реализации программного обеспечения

3.2 Реализация разработанных алгоритмов в исходных кодах

3.3 Полунатурная и натурная проверка контура управления с

использованием МиГ-29К/КУБ

3.3.1 Основы построения алгоритма ручного управления

3.4 Программное обеспечение для стенда ПНМ

3.5 Выводы по главе 3

Глава 4. Многофакторный анализ разработанных алгоритмов

управления ЛА и применение результатов в процессе дозаправки

4.1 Математическое моделирование процесса стыковки с использованием нелинейной модели ЛА

4.1.1 Проверка отработки и стабилизации заданной угловой скорости

4.1.2 Проверка отработки и стабилизации заданного углового положения

4.1.3 Анализ эффективности оценивания параметров AX, AY, AZ

с использованием наблюдателей состояния

4.1.4 Проверка отработки вертикального, бокового и продольного рассогласований в процессе стыковки

4.1.5 Статистическое моделирование процесса стыковки

4.1.6 Реакция контура управления на возмущающие воздействия

4.1.7 Анализ результатов математического моделирования

4.2 Проверка и эффективность практического применения с

использованием МиГ-29К/КУБ

4.3 Выводы по главе 4

Общие выводы и заключение

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адаптивное автоматическое управление полетом беспилотного летательного аппарата на этапе сближения и стыковки процесса дозаправки топливом в воздухе»

Введение

Актуальность работы

Работа посвящена обеспечению автоматического управления маневренным беспилотным летательным аппаратом (БЛА) в процессе дозаправки топливом в воздухе.

Дозаправка топливом в воздухе уже достаточно длительное время широко применяется для увеличения дальности полета на военных пилотируемых летательных аппаратах (ЛА). Возможность дозаправки ЛА в воздухе увеличивает его эффективность по нескольким важным направлениям: боевой радиус действия, время нахождения в воздухе, сокращение необходимых мест базирования. Поэтому обеспечение возможности дозаправки топливом в воздухе БЛА является необходимым требованием для его эффективного применения [1]. В США и ряде других стран НАТО исследования в области разработки систем, обеспечивающих автоматизацию процесса дозаправки топливом в воздухе, активно проводятся с 2000 г [1-4], что позволило достичь определенных результатов в ходе проведения летных испытаний. В России с 2011 года разрабатываются целый ряд тяжелых перспективных БЛА разведывательного и ударного назначения весом более пяти тонн: «Охотник», «Альтиус-М», но вопросу обеспечения автоматической дозаправки топливом в воздухе уделяется недостаточное внимание. Комплексы бортового оборудования БЛА типа «Охотник» и «Альтиус-М» позволяют выполнять автоматическую дозаправку топливом в воздухе, но нерешенными остаются два вопроса:

• разработки алгоритмов автоматического управления полетом БЛА в условия действия внешних возмущений (активный отказ исполнительных устройств, турбулентность и др.);

• разработки новой или адаптация существующих оптических локационных

систем для измерения относительного положения штанги и конуса.

По результатам обзора [1-47] зарубежных и отечественных работ следует отметить следующие нерешенные задачи, которые сдерживают практическую реализацию автоматического управления БЛА при дозаправке топливом в воздухе:

• синтез алгоритма автоматического управления с учетом всех существенных возмущающих воздействий, действующих на заправляемый БЛА на этапе сближения и стыковки;

• формирование методики синтеза алгоритмов автоматического управления на этапе сближения и стыковки процесса дозаправки топливом в воздухе, применение которой возможно в процессе выполнения опытно-конструкторских работ;

• обеспечения требуемой вероятности стыковки при наличии возмущающих воздействий (отказ органов управления ЛА, вихревое поле танкера, турбулентность атмосферы).

Цель и задачи диссертации

Цель диссертационной работы - разработка методики синтеза алгоритмов автоматического управления маневренным БЛА на этапах сближения и стыковки процесса дозаправки топливом в воздухе.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие основные задачи:

• Провести анализ свойств многоэтапного процесса дозаправки как объекта управления с учетом особенностей поведения БЛА при дозаправке топливом в воздухе;

• Сформировать достаточный набор источников информации (измерительных систем);

• Разработать нелинейную математическую модель процесса дозаправки БЛА для разработки системы автоматического управления (САУ) и проведения имитационного моделирования;

• Определить и обосновать общую структуру алгоритмов САУ;

• Выполнить синтез алгоритмов управления с учетом предъявляемых требований;

• Реализовать разработанный алгоритм в виде программы для вычислительной машины бортового комплекса управления (ВМ БКУ);

• Провести полунатурное моделирование и летные испытания разработанной САУ с использованием летной лаборатории.

Методы исследования

В работе используются методы теории управления (частотные методы синтеза, методы адаптивного управления, методы формирования наблюдателей состояния), методы исследования на основе вычислительной среды Matlab/Simulink, методы программирования алгоритмов для БКУ. Для проверки результатов используются методики математического и полунатурного моделирования.

Научная новизна результатов

К числу новых научных результатов относятся:

1. Разработка математической модели высокой размерности нелинейной нестационарной задачи управления БЛА в многоэтапном процессе дозаправки.

2. Анализ исходной задачи управления БЛА для обеспечения сближения и стыковки элементов системы дозаправки и проведение ее декомпозиции на последовательный набор подзадач для подсистем БЛА на основе требований малых отклонений для реализации дозаправки.

3. Формирование обобщенной структуры алгоритма автоматического управления с учетом наиболее эффективного использования динамических свойств БЛА для обеспечения успешной стыковки;

4. Синтез алгоритмов автоматического управления в задачах стабилизации движения вокруг ц.м., минимизации отклонений при движении ц.м. БЛА с использованием Ы-адаптивных методик, в том числе:

• обоснованное ограничение размерности описания объекта управления на этапе синтеза Ы-алгоритма;

• выбор параметров закона L1-адаптации в многоканальной системе на

основе требования близости амплитудно-фазовых частотных характеристик приведенного контура управления и модели желаемой динамики;

• обоснование возможности замены ПФ приведенного контура L1-адаптивного управления ПФ модели желаемой динамики при проведении последовательного синтеза алгоритмов управления БЛА.

5. Обеспечение баланса между минимизации фазового запаздывания и величиной случайных ошибок на основе применения адаптивного наблюдателя состояния при обработке информации от оптической локационной системы.

Практическая ценность

1. Разработан и подготовлен (в виде исходного кода) для реализации в БКУ алгоритм автоматического управления БЛА типа «Охотник», обеспечивающий высокую вероятность стыковки штанги и конуса при наличии внешних возмущающих воздействий различного характера.

2. Создана среда имитационного моделирования, включающая математическую модель этапа сближения и стыковки процесса дозаправки топливом в воздухе, нелинейные модели заправляемого БЛА, танкера, и разработанную САУ.

3. Исследован процесс отработки рассогласований положения штанги и конуса в процессе дозаправки и выявлена эффективность разработанных алгоритмов автоматического управления пространственной стыковкой.

4. Статистическое моделирование продемонстрировало высокую вероятность стыковки, обеспеченную алгоритмом автоматического управления БЛА, и позволило выбрать допустимый диапазон характеристик случайных внешних возмущений, при которых обеспечивается требуемая вероятность стыковки.

5. Исследовано влияние вихревого поля танкера и возмущающего воздействия типа отказ на эффективность управления БЛА в процессе стыковки. Продемонстрирована отказобезопасноть разработанного алгоритма автоматического управление БЛА.

6. На основе подходов и процессов автоматизации управления БЛА в процессе дозаправки была повышена эффективность алгоритма ручного управления

МиГ-29К/КУБ, прошедшего весь цикл полунатурного моделирования и летных испытаний, и внедренного в серийное производство.

Достоверность результатов

Достоверность результатов в части алгоритма автоматического управления подтверждена математическим моделированием с применением нелинейной модели, в которой учтены все существенные особенности аэродинамики, источников информации, динамики движения элементов системы дозаправки.

Достоверность результатов в части алгоритма ручного управления подтверждается результатами математического и полунатурного моделирования, летными испытания самолета МиГ-29К/КУБ и использованием алгоритма в составе программного обеспечения системы электро-дистанционного управления серийных самолетов МиГ-29К/КУБ. Методы, примененные при синтезе внутреннего контура алгоритма автоматического управления аналогичны методам, использованным для алгоритма ручного управления. Поэтому можно считать, что алгоритм автоматического управления прошел частичную проверку в ходе летных испытаний.

Внедрение результатов

Результаты диссертации использованы в программном обеспечении комплексной системы управления КСУ-941(941УБ) для улучшения характеристик устойчивости управляемости самолетом в режиме «Дозаправка», что подтверждено актом о внедрении. Режим работы комплексной системы управления КСУ-941(941УБ) «Дозаправка» успешно прошел заводские и государственные испытания и рекомендован для использования в серийных самолетах. Также, основные положения и результаты диссертационной работы были использованы в НИР «Охотник-Б», выполняемой филиалом ПАО «Компания Сухой» «ОКБ Сухого».

Апробация

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно-технических форумах: 1. 15-я Международная конференция Авиация и космонавтика (Москва, 2016).

2. 11-я Международная конференция Авиация и космонавтика (Москва, 2012).

3. Всероссийский молодежный научно-технический форум «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» (Москва, 2012).

4. IX всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов» (Москва, 2012).

5. Всероссийский молодежный научно-технический форум «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» (Москва, 2010).

6. 1-я всероссийская конференции «Инновации в авиастроении» (Казань, 2010).

Публикации

Основные результаты работы изложены в 6 статьях, из них 4 опубликовано

в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 5 докладах международных и

всероссийских конференций.

Положения, выносимые на защиту

1. Декомпозиция исходной задачи управления БЛА обеспечения сближения и стыковки элементов системы дозаправки на последовательный набор подзадач для подсистем БЛА на основе требований малых отклонений для реализации дозаправки.

2. Синтез алгоритмов управления БЛА на этапе сближения и стыковки в процессе дозаправки по разработанной методике, включающей:

• обобщенный синтез алгоритмов автоматического управления в задачах стабилизации движения вокруг центра масс, минимизации отклонений при движении центра масс БЛА с использованием L1-адаптивных методик;

• обеспечение баланса между минимальным фазовым запаздыванием и влиянием случайных ошибок на основе применения адаптивного наблюдателя состояния, для оценки внешнего возмущающего воздействия.

3. Реализация управления заправляемым БЛА по разработанным алгоритмам с обеспечением заданной вероятности успешной стыковки при наличии внешних

возмущений.

4. Повышение эффективности алгоритмов ручного управления МиГ-29К/КУБ по разработанной методике на основе подходов и процессов автоматизации управления БЛА на этапе сближения и стыковки процесса дозаправки.

Глава 1. Обзор исследований и постановка задачи автоматического

управления процессом стыковки БЛА с ЛА-танкером для дозаправки

1.1 Обзор исследований по проблеме автоматизации дозаправки в воздухе

ударного БЛА

Дозаправка топливом в воздухе - это процесс перекачки топлива с одного беспилотного летательного аппарата (БЛА) на другой во время полета [1,2]. Дозаправка позволяет заправляемому БЛА увеличить время активных действий в воздухе и взлетать с большей полезной нагрузкой. Эксперименты в области дозаправки топливом начались в двадцатых годах прошлого века годах[1], задача автоматического управления стыковкой ЛА при дозаправке в настоящее время не решена.

В последние годы, используется все большие соединения БЛА при проведении военных операции. Они становятся важной частью военных операций. БЛА - это новое поколение средств для разведки, идентификации целей, ударных задач и определения боевого ущерба нанесенного объектам противника. Поскольку от БЛА требуется выполнение тех же функций, что и от пилотируемых ЛА, то они должны быть способны выполнять полный цикл дозаправки топливом в воздухе, которая увеличивает эффективность БЛА по нескольким важным направлениям: боевой радиус действия, время нахождения в воздухе, сокращение необходимых мест базирования. Задача автоматической дозаправки топливом в воздухе включает несколько подзадач [3, 4]:

• Определение точного относительного положения танкера. Операция дозаправки требует от БЛА находиться в непосредственной близости от танкера, поэтому иметь высокоточную информацию о его положении относительно танкера.

• Система управления БЛА должна обеспечивать высокоточный процесс управление стыковкой и оперативно реагировать на команды бортового

вычислительного комплекса верхнего уровня или оператора* по прекращению дозаправки.

• Необходимо обеспечить унификацию конструкции узлов стыковки для беспилотных и пилотируемых танкеров. Это необходимо для снижения стоимости процесса дозаправки, обеспечения готовности парка танкеров к выполнению операции. Ограничения по весу, габаритам и конструктивным особенностям требуют доработки существующих устройств стыковки и в целом дозаправки.

• Обеспечение всепогодной дозаправки в сложных метеоусловиях.

Конечная цель исследований в данной области - разработка надежных автоматических систем управления, которые позволят пилотируемым и беспилотным ЛА выполнять дозаправку в ручном и автоматическом режиме.

1.1.1 Подходы к формированию систем автоматического управления процессом дозаправки топливом в воздухе.

Существует два общепринятых способа дозаправки топливом в воздухе: штанга-конус и штанга-горловина (жесткая сцепка) [1, 3, 4]. В первом варианте танкер выпускает длинный гибкий шланг, который тянется за танкером с некоторым снижением. На конце шланга закреплено конусовидное устройство, называемое корзиной или конусом, который занимает положение за танкером. При этом, относительно точки крепления шланга, конус располагается ниже по высоте. Самолет, который нуждается в дозаправке, выпускает жесткое, иногда составное, устройство, называемое штангой. Чаще всего она располагается по правую или по левую руку от пилота на фюзеляже. В то время как танкер совершает горизонтальный, прямолинейный полет, никак не управляя движением конуса, пилот заправляемого самолета летит позади и ниже танкера, управляя своим самолетом таким образом, чтобы штанга, установленная на его самолет, состыковалась с конусом. После соединения, клапан в конусе открывается, что позволяет начать перекачку топлива, и два самолета летят строем до тех пор, пока

не закончится передача топлива. Дозаправляемый самолет затем снижает свою скорость в достаточной степени, чтобы отстыковать штангу от конуса. Дозаправка штанга-конус - это стандартный метод заправки топливом в воздухе для самолетов ВМФ США, НАТО, России и Китая [1, 3, 4].

Разработка системы автоматического управления полетом летательного аппарата для дозаправки топливом в воздухе включает в себя выбор датчиков для определения относительного положения танкера и БЛА [5-23], синтез законов управления процессом дозаправки топливом в воздухе [24-36], разработку алгоритмов построения траектории, обеспечивающей выход заправляемого БЛА к танкеру оптимальным образом [37, 38]. Следует отметить, что имеет место большое множество работ, посвященных упрощенной разработке алгоритмов управления БЛА для обеспечения успешной стыковки в процессе дозаправки топливом в воздухе, но можно выделить несколько исследовательских коллективов, которые занимаются вопросом дозаправки длительное время и получили научно-технические результаты.

Первоначально, исследования по определению относительного положения танкера и БЛА включали в себя эксперименты по измерению относительных координат двух самолетов в полете с использованием дифференциальной спутниковой навигации. Однако более перспективным оказалось использование оптических датчиков (ОД). Они обладают рядом преимуществ, на которые обратили внимание исследователи: ОД работают в пассивном режиме, позволяют измерять расстояния с точностью до 1 см, обеспечивая выдачу информации с высокой частотой.

Валасек с коллегами [6] предложили использование ОД установленных на заправляемом БЛА для определения положения конуса. Конус оснащается несколькими световыми маяками. Анализируя сигналы, получаемые от маяков на оптический датчик, можно определить положение летательного аппарата по шести степеням свободы и дальности до конуса относительно вспомогательной системы координат, связанной с конусом.

Валасеком с коллегами были также представлены результаты разработки и

моделирования контура управления для процедуры стыковки [6, 36]. Предполагалось, что конус неподвижен, турбулентность от танкера была представлена случайным шумом и «игнорировалась» системой управления. В данном исследовании в качестве системы управления полетом заправляемого БЛА был использован оптимальный закон управления, а для формирования желаемой траектории движения БЛА в процессе стыковки применялось специальный алгоритм [6]. Оптимальный контроллер, разработанный Валасеком с коллегами, не рассчитан на входные сигналы с высокой скоростью изменения. Для улучшения устойчивости контура управления к таким сигналам был использован низкочастотный фильтр предварительной обработки. Моделирование системы проводилось для случая стыковки с неподвижным конусом при начальном рассогласованием по трем осям и с учетом турбулентности. Результаты моделирования показали, что система способна эффективно выполнять процесс стыковки.

В системе управления, рассмотренной выше, предполагалось что все компоненты вектора пространства состояния известны. Но это не всегда имеет место. Для определения переменных пространства состояния, которые невозможно измерить непосредственно с помощью датчиков, в условиях фильтрации сопутствующих шумов (порывов ветра, вихревого следа от танкера) и шумов измерения датчиков, Киммет с коллегами [7] улучшил структуру управления, добавив в неё разновидность фильтра Калмана. Контуры управления разработанные Валасеком и Кимметом наиболее подходят для стыковки со сравнительно малоподвижным конусом. Тандейл с коллегами [8] разработали контур управления на основе наблюдателя, который не требует использования модели конуса или предварительной информации о его положении. Для преобразования относительного положения конуса, измеренного оптическим датчиком, в соответствующую ему траекторию используется модуль синтеза траектории. Наблюдатель состояния определяет координаты пространства состояния соответствующие этой траектории, которые затем необходимо отработать летательному аппарату. Для формирования управления с прогнозом

наблюдатель состояния обеспечивает формирование упреждающего сигнала (производной). Таким образом Тандейл с коллегами развивают подход к формированию траектории движения БЛА в процессе стыковки, предложенный Валасеком. Недостатком исследований Валасека и Тандейла с коллегами можно считать слабый учет реальных характеристик спутного следа танкера.

Фраволини с коллегами [9] при определении положения конуса предложили стратегию нечеткого управления с объединением информации от GPS и от системы машинного видения (оптического источника информации). При большом расстоянии между танкером и заправляемым самолетом необходимая обратная связь по дальности обеспечивается системой спутниковой навигации. На средней дальности, расстояние рассчитывается как взвешенная сумма дальности измеренной GPS и оптической системой. На малых дальностях расстояние между конусом и штангой определяется с помощью системы машинного видений. На основе моделирования авторы показали, что предложенная схема обеспечивает автоматическую дозаправку топливом беспилотного летательного аппарата. Однако в процессе моделирования не полностью учитывались влияние вихревого поля танкера, а также движение конуса дозаправки.

Кампа с коллегами [10], в их исследованиях по разработки алгоритма автоматической дозаправки топливом в воздухе по способу штанга-горловина, использовали ту же стратегию нечеткого управления, которая была предложена Фраволини [9]. Для определения относительного положения танкера по отношению к БЛА системой машинного видения, на танкере были установлены маркеры. В работе динамика БЛА описана линейной моделью. Опорная (заданная) траектория синтезируется после появления команды на включение режима «дозаправки». Траектория аппроксимируется полиномом 3-го порядка. Коэффициенты полинома рассчитываются исходя из требуемых граничных условий (аналогично с работами Валасека). Для получения астатизма по целевым координатам используется интегральный закон управления. Синтез закона управления проводится с использованием метода на основе линейного квадратичного регулятора (LQR).

При использовании способа дозаправки штанга-конус [6-9] или штанга-горловина [10] система машинного видения или ОД измеряют положение ярких точек или маркеров, закрепленных на корпусе танкера [10] или конусе дозаправки [6-9]. Для эффективной работы систем автоматической дозаправки система машинного видения должна обеспечить точную информацию о положении всех маркеров. Это, в свою очередь, необходимо для определения относительных координат танкера и ЛА с заданной точностью. Однако, из-за деформации конструкции может получаться небольшая разница между действительным и расчетным положением маркеров. В процессе моделирования был учтен эффект влияния подобных неточностей на ошибку определения положения танкера. Качество переходных процессов, точность и вероятность стыковки существенно снижаются, если эта ошибка превышает 1%. Было также исследовано влияние пропадания из поля зрения оптического датчика маркеров. Если изначально установить на танкер большее число маркеров, то ошибка в определении координат не будет зависеть существенным образом от временной потери видимости некоторых из них.

Степанян, Ховакимян и Лаврецкий [25-27] предложили использовать для управления ЛА в процессе стыковки с конусом метод L1-адаптивного управления. На упрощенных математических моделях метод дал хорошие результаты, которые были проверены математическим моделированием на линейных и нелинейных моделях продольного и вертикального каналов управления. Особое внимание было уделено отказоустойчивости работы системы управления. Были рассмотрены частичные и полные, пассивные и активные отказы органов управления. Однако в процессе синтеза контура и проведения математического моделирования не учитывались: влияние вихревого поля, движение конуса и характеристики системы определения относительного положения штанги и конуса. Кроме этого, Ы-адаптивное управления требует большого вычислительного ресурса для обеспечения вычислений в режиме реального времени. В работах [25-27] конкретных предложений по практической реализации Ы-даптивного управления в виде программы для БКУ не представлено.

Очи и Каминами [28] показали сходство задач наведения ракет и автоматической дозаправки и предложили использовать метод пропорционального наведения для обеспечения стыковки. Используя подходы из алгоритмов автоматической посадки и самонаведения, они разработали алгоритм автоматической дозаправки топливом в воздухе с применением пропорциональной навигации (со стабилизацией линии визирования). Для управления в продольном канале предлагается использовать руль высоты и тягу двигателя, а в боковом канале - элероны и рули направления. При этом контур управления замыкается по относительной скорости, нормальной и боковой перегрузке, углу скольжения. Это отличает предлагаемые алгоритмы от алгоритмов Валасека и Ховакимян, которые используют угловые скорости. Результаты моделирования в условиях применения метода пропорциональной навигации показали приемлемую точность, однако не учитывались реальные характеристики движения конуса и влияние турбулентности, что снижает практическую ценность данной работы.

Во всех рассмотренных работах отмечалось, что наибольшее влияние на динамическую модель процесса дозаправки оказывают вихревой (спутный) след танкера и изменение массово-инерционных характеристик заправляемого самолета [29]. Однако большинство авторов не учитывало изменение массовых характеристик при синтезе законов управления. Патчер с коллегами [30] учли изменение инерционных свойств при разработки автоматической системы управления дозаправкой. Для этого они использовали квазистатический метод. Заправляемый самолет, в их работе, был представлен шестнадцатью линейными моделями с разными весами (от пустого до полного). Система управления, была разработана так, чтобы обеспечивать работоспособность процесса дозаправки для всех моделей. При этом методе динамическое влияние изменения веса самолета не рассматривалось.

Возмущающее воздействие вихревого поля танкера обычно рассматривается, как возмущение со случайными составляющими [6-10, 25, 2830]. Доган и Сато [39] разработали линейный позиционно-следящий регулятор,

объединяющий интегральное управление и АКОР. Априорные данные о вихревом поле танкера не учитывались при синтезе законов автоматического управления. Но в процессе проверочного моделирования, наличие вихревого поля было учтено в качестве возмущающего воздействия. Для проверки характеристик регулятора был составлен набор нелинейных уравнений движения твердого тела, которые содержат составляющие ветровых возмущений и их производные, полученные методом осреднения, для учета взаимовлияния двух ЛА.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чеглаков, Дмитрий Иванович, 2017 год

Список литературы

1. Smith R. K., «Seventy Five Years of Inflight Refueling, Highlights, 19231998» Air Force History and Museum Program, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1998. p. 457/

2. Nalepka J.P. and Hinchman J.L. Automated Aerial Refueling: Extending the Effectiveness of Unmanned Air Vehicles. AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 15-18 August, San Francisco, California, USA, AIAA 2005-6005.

3. W. Mao and F.O. Eke. A Survey of the Dynamics and Control of Aircraft During Aerial Refueling. Nonlinear Dynamics and Systems Theory, 8 (4) (2008) 375-388.

4. Чеглаков Д.И. История исследований в области автоматизации процесса дозаправки топливом в воздухе летательных аппаратов // Альманах Новый Университет (технические науки). 2011. № 4. С. 34-47.

5. G. Lachapelle, H. Sun, M.E. Cannon, G. Lu, Precise Aircraft-to-aircraft positioning using multiple receiver configuration, National Technical Meeting, Institute of Navigation San Diego. 24-26 January 1994

6. Valasek J., Kimmett J., Hughes D., Gunnam K. and Junkins J.L. Vision Based Sensor and Navigation System for Autonomous Aerial Refueling. AIAA's 1st Technical and Workshop on UAV Systems, Technologies, and Operations Conference, 20-23 May 2002, Portsmouth, Virginia, USA, AIAA 2002-3441.

7. Kimmett J., Valasek J., and Junkins J.L. Autonomous Aerial Refueling Utilizing a Vision Based navigation System. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, 5-8 August 2002, Monterey, California, USA, AIAA 2002-4469.

8. Tandale M.D., Bowers R., and Valasek J. Robust Trajectory Tracking Controller for Vision Based Probe and Drogue Autonomous Aerial Refueling. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, 15-18 August 2005, San Francisco, California, USA, AIAA 2005-5868.

9. Fravolini M.L., Ficola A., Napolitano M.R., Campa G. and Perhinschi M.G. Development of Modeling and Control Tools for Aerial Refueling For UAVs. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, 11-14 August 2003, Austin, Texas, USA, AIAA 2003-5798.

10. Campa G., Fravolini M.L., Ficola A., Napolitano M.R., Seanor B. and Perhinschi M.G. Autonomous Aerial Refueling for UAVs Using a Combined GPS-Machine Vision Guidance. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, 16-19 August 2004, Providence, Rhode Island, USA, AIAA 2004-5350.

11. Mammarella M., Campa G., Machine vision/GPS integration Using EKF for the UAV aerial refueling problem, IEEE Transactions on system, man and cybernetics, part C, Vol. 38, No. 6, November 2008.

12. Williamson W., Glenn G., Sensor Fusion Applied to Autonomous Aerial Refueling, Journal of guidance, control and dynamics, vol. 32, No. 1, Jan-Feb 2009.

13. Fravolini M.L., Napolitano M.R., Campa G., Evaluation of Machine Vision Algorithms for Autonomous Aerial Refueling for Unmanned Aerial Vehicles, Journal of Aerospace Computing Information, and Communication, Vol. 4, September 2007

14. Marwaha M., Valasek J., Narang A., Fault Tolerant SAMI for Vision-Based Probe and Drogue Autonomous Aerial Refueling, AIAA Infotech Aerospace Conference and AIAA Unmanned...Unlimited Conference, 6 - 9 April 2009, Seattle, Washington

15. J. Doebbler, T. Spaeth, John Valasek, M. J. Monda, H. Schaub, «Boom and Receptacle Autonomous Air Refueling Using Visual Snake Optical Sensor», Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 30, No. 6, 2007, pp. 17531769.

16. J. Valasek, K. Gunnam, J. Kimmett, M. D. Tandale, J. L. Junkins, D. Hughes, «Vision-Based Sensor and Navigation System for Autonomous Air

Refueling», Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 28, No. 5, 2005, pp. 979-989.

17. G. Campa, M. R. Napolitano and M. Perhinschi , G. Campa, M. R. Napolitano, M. Perhinschi, «Addressing pose estimation issues for machine vision based UAV autonomous serial refueling», The Aeronautical Journal, June 2007, pp. 389-396.

18. S. M. Khanafseh, B. Pervan, «Autonomous Airborne Refueling of Unmanned Air Vehicles Using the Global Positioning System» Journal of Aircraft, Vol. 44, No. 5, 2007, pp. 1670-1682.

19. M. D. Tandale, R. Bowers, and J. Valasek, «Trajectory Tracking Controller for Vision-Based Probe and Drogue Autonomous Aerial Refueling», Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 29, No. 4, 2006, pp 846-857

20. J. Blondeau, F. Erbacher, M.H. Weisel Use of advanced video analysis in aerial refuelling operations, U.S. Air Force T&E Days, 5 - 7 February 2008, Los Angeles, California, AIAA 2008-1650

21. L. Pollini, M. Innocenti, R. Mati Vision Algorithms for Formation Flight and Aerial Refueling with Optimal Marker Labeling, AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 15 - 18 August 2005, San Francisco, California, AIAA 2005-6010

22. M. Mammarella, G. Campa, M. R. Napolitano, B. Seanor GPS / MV based Aerial Refueling for UAVs, AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, 18 - 21 August 2008, Honolulu, Hawaii, AIAA 20087258

23. L. Pollini, R. Mati, M. Innocenti Experimental Evaluation of Vision Algorithms for Formation Flight and Aerial Refueling, AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 16 - 19 August 2004, Providence, Rhode Island, AIAA 2004-4918

24. Svoboda C. and Ryan G.W. Predictive Models for Aerial Refueling Simulations, 2000. SAE Doc. No. 2000-11-0039, ISBN 1-85768-191-6.

25. Stepanyan, V., Lavretsky, E., Works, P., and Hovakimyan, N. Aerial Refueling Autopilot Design Methodology: Application to F-16 Aircraft Model. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit 1619 August 2004, Providence, Rhode Island, USA, AIAA 2004-5321.

26. Jiang Wang, Vijay V. Patel, Chengyu Cao, Naira Hovakimyan, Eugene Lavretsky, Verifiable L1 Adaptive Controller for Aerial Refueling. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit 20 - 23 August 2007, Hilton Head, South Carolina

27. Jiang Wang, Vijay V. Patel, Chengyu Cao, Naira Hovakimyan, Eugene Lavretsky, Novel L1 Adaptive Control Approach to Autonomous Aerial Refueling with Guaranteed Transient Performance. Proceedings of the 2006 American Control Conference, Minneapolis, Minnesota, USA, June 14-16, 2006, pp. 3569-3574.

28. Ochi Y. and Kominami T. Flight Control for Automatic Aerial Refueling via PNG and LOS Angle Control. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exihibit 15-18 August 2005, San Francisco, California, USA, AIAA 2005-6268.

29. Sato S. The power balance method for aerodynamics assessment. PhD thesis, MIT, June 2012, p. 182.

30. Pachter, M., Houpis, C.H., and Trosen, D.W. Design of an Air-to-Air Automatic Refueling Flight Control system Using quantitative Feedback Theory. International Journal of Robust and Nonlinear Control 7 (1997) pp. 561-580.

31. Поединок В.М. Алгоритм дозаправки неманевренного самолета в воздухе в автоматическом режиме // Ученые записки ЦАГИ. 2004. Т. 36, №1-2. С. 43-59.

32. J. Wang, N. Hovakimyan, C. Cao, «Verifiable Adaptive Flight Control: Unmanned Combat Aerial Vehicle and Aerial Refueling», Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 33, No. 1, 2010, pp. 75-87

33. Климин А.В., Климина В.А., Ляпунов С.В., Поединок В.М. Автоматическая дозаправка в воздухе с использованием управляемой заправочной штанги // Ученые записки ЦАГИ. 2012. Т. 43, №6. С. 91-99.

34. Поединок В.М. Влияние ошибок определения взаимного положения заправочного конуса и заправочной штанги на точность контакта при автоматической дозаправке // Ученые записки ЦАГИ. 2012. Т. 41, №6. С. 54-61.

35. Поединок В.М. Оценка влияния конструктивных и аэродинамических характеристик заправочной системы шланг-конус на ее динамические свойства и точность контакта при автоматической дозаправке // Ученые записки ЦАГИ. 2012. Т. 43, №1. С. 97-110.

36. Tandale M.D. Adaptive dynamic inversion control of nonlinear systems subjected to control saturation constraints. PhD thesis, University of Texas, May 2007, p. 160.

37. B.S. Burns, P.A. Blue Simulation of a real-time trajectory generator for automated aerial refueling with a required time of arrival, AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 20 - 23 August 2007, Hilton Head, South Carolina, AIAA 2007-6710

38. B.S. Burns, P.A. Blue Autonomous control for automated aerial refueling with minimum-time rendezvous, AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 20 - 23 August 2007, Hilton Head, South Carolina, AIAA 2007-6739

39. Venkataramanan S. and Dogan A. Dynamic Effects of Trailing Vortex with Turbulence &Time-varying Inertia in Aerial Refueling. AIAA Atmospheric Flight Mechanics Сonference and Exhibit, 16-19 August 2004, Providence, Rhode Island, USA, AIAA 2004-4945.

40. Поединок В.М. Вероятностная оценка потребной эффективности органов управления заправочного конуса при дозаправке самолета в автоматическом режиме // Ученые записки ЦАГИ. 2006. Т. 39, №1-2. С.

35-43.

41. Hansen J.L., Murray J.E. and Campos N.V. The NASA Dryden AAR Project: A Flight Test Approach to an Aerial Refueling System. AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit 16-19 August 2004, Providence, Rhode Island, USA, AIAA 2004-4939.

42. Hanson C., Ryan J., Allen M., Jacobson S., An overview of flight tests results for a formation flight autopilot, NASA/TM-2002-210729, August 2002.

43. A. Dogan, T. A. Lewis Wake-Vortex Induced Wind with Turbulence in Aerial Refueling - Part A: Flight Data Analysis, AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit 18 - 21 August 2008, Honolulu, Hawaii, AIAA 2008-6696

44. R. P. Dibley, M. J. Allen Autonomous Airborne Refueling Demonstration Phase I Flight-Test Results, AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit, 20 - 23 August 2007, Hilton Head, South Carolina, AIAA 20076639

45. D. K-J Jackson, C. Tyler, W.B. Blake Computational Analysis of Air-to-Air Refueling, 25th AIAA Applied Aerodynamics Conference, 25 - 28 June 2007, Miami, FL, AIAA 2007-4289

46. R. Grant Refuelling the RPAs, Air Force magazine, no. 3, 2012, pp. 36-40.

47. Vachon, M.J., Ray, R.J. and Calianno, C. Calculated Drag of an Aerial Refueling Assembly Through Airplane Performance Analysis. 42nd AIAA Aerospace Sciences and Exhibit, 5-8 January 2004, Reno, Nevada, USA, AIAA 2004-381.

48. Aviation Week and Space Technology, May 11-24, 2015, Vol. 177, N9, pp. 64-65

49. Бюшгенс Г.С., Студнев Р.В. Динамика продольного и бокового движения. Москва.: Машиностроение, 1978. 350 с.

50. Бюшгенс Г.С., Студнев Р.В. Динамика самолета. Пространственное движение. Москва.: Машиностроение, 1983. 320 с.

51. Гуськов Ю.П., Загайнов Г.И. Управление полетом самолетов. Москва.: Машиностроение, 1980. 221 с.

52. R. Yanushevsky Guidance of unmanned aerial vehicles. New-York: CRCPress, 2011. p. 371.

53. Мизрохи В.Я. Проектирование управления зенитных ракет. Москва.: Экслибрис-Пресс, 2010. 252 с.

54. Методы классической и современной теории Управления / под ред. К.А. Пупкова. Москва.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. Т. 1.

55. Воробьев В.Г., Кузнецов С.В. Автоматическое управление полетом самолетов. Москва: Транспорт, 1995. 447 с.

56. Заключение по комплексной системе управления КСУ-941(941УБ) в режиме «Дозаправка» на самолетах МиГ-29К/КУБ: Технический отчет / ОАО «РСК «МиГ» ИЦ «ОКБ им. А.И. Микояна». № 8204/1,2-150-2009. Москва, 2009. 15 с. ОАО «РСК «МиГ» ИЦ «ОКБ им. А.И. Микояна», 2009г.

57. Отработка алгоритма комплексной системы управления КСУ-941 (941УБ) в режиме «Дозаправка» на ПРСУ МиГ-29К/КУБ: Технический отчет / ОАО «РСК «МиГ» ИЦ «ОКБ им. А.И. Микояна». №8204-02/156-2009. Москва., 2009. 15 с.

58. Ryan G., Platz S. Developing Aerial Refueling Simulation Models From Flight Test Data Using Alternative PID Methods, «System Identification for Aircraft», Madrid, 1998. pp. 1234-1241.

59. Dogan A., Lewis T. and Blake, W. Flight Data Analysis and Simulation of Wind Effects During Aerial Refueling, Journal of Aircraft, Vol. 45, No 6, November-December 2008.

60. Saban D., Whidborn J.F., Cooke A.K., Simulation of wake vortex effects for UAVs in close formation flight, The Aeronautical Journal, Vol. 113, No. 1149, November 2009

61. Bloy A., West M., Lea K., and Jouma M., «Lateral Aerodynamics Interference

Between Tanker and Receiver in Air-To-Air Refueling,» Journal of Aircraft, Vol. 30, No. 5, 1993, pp. 705-710.

62. Гайфуллин А.М., Свириденко Ю.Н. Математическая модель аэродинамики самолета в вихревом следе // Ученые записки ЦАГИ. 2010. Т. 41, № 4. С. 3-16.

63. Bloy A., and West M., «Interference Between Tanker Wing Wake with Roll-Up and Receiver Aircraft,» Journal of Aircraft, Vol. 31, No. 5, 1994, pp. 1214-1216.

64. Системы обеспечения вихревой безопасности полетов летательных аппаратов / Вычислительный центр им. А. А. Дородницына; под ред. Л.И. Турчака. Москва.: Наука, 2004. 373 с.

65. Dogan, A., Lewis, T. and Blake, W. Flight Data Analysis and Simulation of Wind Effects During Aerial Refueling, Journal of Aircraft, Vol. 45, No 6, November-December 2008.

66. Модель двигателя РД-93 для изд. СКАТ: Технический отчет / ОАО «РСК «МиГ» ИЦ «ОКБ им. А.И. Микояна». № 8204-02/151-2011. Москва, 2011. 24 с.

67. Ярошевский В.А. Методика моделирования движения шланга с заправочным конусом в процессе дозаправки самолета в воздухе // Ученые записки ЦАГИ. 2003. Т. 34, № 3-4. С. 91-108.

68. Eichler J., «Dynamic Analysis of an In-FIight Refueling System», Journal of Aircraft, Vol. 15, No. 5, May 1978

69. Ro K., Kamman W., Modeling and Simulation of Hose-Paradrogue Aerial Refueling Systems, Journal of guidance, control and dynamics, vol. 33, No. 1, Jan-Feb 2010.

70. Hansen J.L., Murray J.E. and Campos N.V. The NASA Dryden AAR Project: A Flight Test Approach to an Aerial Refueling System. AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit 16-19 August 2004, Providence, Rhode Island, USA, AIAA 2004-4939.

71. Naira Hovakimian, Chengyu Cao, «L1 Adaptive control theory. Guaranteed robustness with fast adaptation», SIAM, Philadelphia, 2010. p. 357.

72. Солодовников В.В., Шрамко Л.С. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделями. Москва: Машиностроение, 1972. 270 с.

73. Тюкин И. Ю., Терехов В. А. Адаптация в нелинейных динамических системах. Санкт-Петербург: ЛКИ, 2008. 384 с.

74. Васильев А.Н. Matlab. Практический подход. Самоучитель. Москва: Наука и техника, 2015. 448 с.

75. Ануфриев И.Е. MATLAB 7. С.-П.: БХВ-Петербург, 2014. 1104 с.

76. Барский А.Г. Оптико-электронные следящие и прицельные системы. Москва: Логос, 2013. 245 с.

77. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. Москва: Машиностроение, 1976. 184 с.

78. Методы классической и современной теории Управления / под ред. К.А. Пупкова. Москва: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. Т. 3.

79. Оболенский Ю.Г. Управление полетом маневренных самолетов. Москва: филиал Воениздат, 2007. 480 с.

80. Черный А.М., Кораблин В.И. Самолетовождение. Москва: КДУ, 2010.368 с.

81. Дьяконов В.П. Simulink. Самоучитель. Москва: ДМК-Пресс, 2015. 496 с.

82. Алгоритм автоматического управления ЛА в процессе дозаправки топливом в воздухе: Технический отчет / ОАО «РСК «МиГ» ИЦ «ОКБ им. А.И. Микояна». № 8204-02/162-2011. Москва, 2011. 20 с.

83. Клюев Е.Д., Кисин Е.Н., Оболенский Ю.Г., Парамонов В.Н., Похваленский В.Л., Якубович М.М. Модель действий летчика в контуре ручного управления вертикальной перегрузкой самолета // Техника воздушного флота. 2010. Т. 84, №3 С. 20-27.

84. Устюжанин А.Д. Динамическая идентификация и оценивание состояния

человека-оператора в системах «человек-машина»: авт. дис. ... канд. тех. наук: 05.13.05. Москва. 2010. 16 с.

85. Морозов В.В, Соботковский Б.Е., Шейнман И.Л. Методы обработки результатов физического эксперимента. Санкт-Петербург: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. 63 с.

86. Князев Б.А., В.С. Черкасский Начала обработки экспериментальных данных. Новосибирск: издательство НГУ, 1996, 43 с

87. Воробьев А.В. Научные основы создания отказоустойчивых интегрированных вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами: авт. дис. ... докт. тех. наук: 05.13.05. Москва. 2010. 32 с.

88. Wilson D.B. Guidance, Navigation and Control for UAV Close Formation Flight and Airborne Docking. PhD thesis, University of Sydney, May 2015, p. 160.

89. Кукушкин Л. С., Вышинский В. В. Моделирование на пилотажном стенде заправки топливом в полёте с учётом турбулентности атмосферы и спутной турбулентности за самолётом-заправщиком // ТРУДЫ МФТИ. 2013. Т. 5, № 2 С. 46-58.

90. Thomas P.R., Bhandari U., Bullock S., T.S. Richardson Advances in air to air refuelling, Progress in Aerospace Sciences, vol. 71, 2014, pp. 14-35.