针对无人机自主空中加油过程中加油机、受油机会合编队问题, 基于Lyapunov导航向量场(LGVF)和一致性理论设计了一种编队控制方法。首先, 建立了无人机编队模型, 包括通信拓扑模型和编队几何模型, 并在此基础上定义了多无人机系统的协同变量; 接着, 设计了期望的加油轨迹, 并基于Lyapunov导航向量场方法设计了加油机(编队参考点)的飞行控制律; 然后, 根据加油机的位置、速度信息, 基于一致性理论设计了加、受油机会合编队控制方法, 并分析了该方法的稳定性; 最后, 进行了数字仿真,表明了所提方法的有效性。

对项目组在自主空中加油对接控制方面的研究成果进行了回顾。首先介绍了使用深度学习这一具有强非线性表征能力的回归技术结合CFD和高阶复杂模型的仿真数据, 所建立的受油机前扰波和面向控制的锥套预测模型。在此基础上, 介绍了借鉴空中加油人工驾驶对接的优点, 创新提出的反步高阶滑模抗扰动对接控制器、平动/转动综合的抗扰动对接控制器以及直瞄/变长度预瞄复合引导对接控制器。仿真结果表明, 所提方法显著提高了自主空中加油对接精度。

主要针对国内软式空中加油, 设计了一套基于机器视觉技术的自主空中加油锥套跟踪与定位系统。首先, 对加油机系统建模, 利用有限元分析进行加油软管锥套建模, 为锥套运动提供基准数据; 然后, 利用最小椭圆定位完成锥套二维图像定位, 结合LHM算法完成三维定位; 接下来, 考虑到锥套定位稳定性较差以及输出频率较低的问题, 引入EKF提高系统鲁棒性并设置ROI区域减少图像处理时间; 最后仿真结果表明, 在不同紊流条件下, 基于EKF的视觉测量系统可提高系统鲁棒性并使输出频率大大提升。

在无人机软管式自动空中加油中, 受油机前扰波对于空中对接有着重要的影响。针对前扰波建模的迫切需求, 通过计算流体动力学(CFD)仿真, 得到受油机机头附近速度场数据, 基于此数据分析速度随位置的变化规律。以多项式的函数形式用最小二乘法拟合出速度沿x, y, z 3个轴向上的分布规律, 根据此规律推测出速度在机头横截面上的二维解析表达式, 再用多项式进行二维拟合, 接着用平面插值在满足精度的条件下求解出速度与三维位置坐标的解析表达式。最后对x, y, z 3个方向分别拟合插值并选取区域进行验证, 仿真结果表明了模型的有效性并且可以看出沿y轴方向进行插值误差最小。

针对无人机(UAV)飞行时与其他飞行器发生冲突的问题, 提出了基于扰动流体的避撞航路规划算法。基于入侵飞机的运动信息引入相对初始流场, 用扰动矩阵量化表示入侵机模型对相对初始流场的扰动影响, 计算相对扰动流场, 进而得到实际流场流线即规划的无人机避撞航路。同时利用滚动优化思想, 考虑无人机性能约束要求, 实时优化影响系数, 保证规划航路的可飞性。仿真结果表明, 该算法能够实时规划出满足无人机可飞性要求的避撞航路。

针对高超声速飞行器大跨度机动飞行所引起的本质非线性及强耦合 动力学特性、执行机构输入受限、多源气动参数摄动及外部环境干扰并存 情况下的姿态跟踪控制问题, 结合模型辅助自抗扰控制技术, 构建并阐述了基于轨迹线性化控制框架的集抗饱和与主动干扰补偿于一体的姿态控 制体系。首先，面向控制角度, 将姿态和角速率子系统描述为带不确定性 的严格反馈形式;其次, 基于自抗扰控制的设计思路, 采用跟踪微分器对 姿态标称指令及其微分安排过渡过程, 解决单一轨迹线性化控制中的执 行机构饱和问题; 分别针对姿态与角速率回路构造包含模型信息的扩张 状态观测器对总干扰进行观測并补偿，克服大范围不确定性对闭环跟踪 性能的影响;基于轨迹线性化控制思想，分别设计前馈跟踪控制律和反馈 镇定控制律, 实现姿态跟踪误差沿着标称指令镇定。仿真结果表明, 该控 制方案能够实现给定大幅度制导指令下的高精度抗干扰控制，且对于再 入过程中的多源干扰大范围摄动具有较强的适应能力。

对一种新颖的基于流水避石原理的无人机三维航路规划技术进行了阐述。复杂地形条件下具有全局最优性的无人机三维航路规划问题, 不但要考虑地形对飞行安全的影响, 还要考虑无人机自身的性能约束, 最终规划出三维空间内可供无人机实际飞行的平滑航路。传统航路规划算法在计算复杂度、航路平滑性等方面难以令人满意。流水避石航路规划算法受自然界流水避开岩石并最终到达目标点的现象启发, 通过提取复杂地形条件下无人机飞行航路与流水避石现象的共性特征, 在流体力学相关理论的基础上, 建立能够揭示流水避石宏观规律的数学模型, 并根据一定的优化指标对流场中的流线进行优选, 最终获得满足飞行约束与环境约束的最优三维光滑可飞航路。

针对现有方法采用定值飞行间隔确定避撞区域对空域利用不足的问题, 提出一种动态、实时建立避撞区域的方法。根据无人机的机动约束, 无人机的碰撞区域以及飞机之间的相对位置、相对速度等信息, 实时建立避撞区包络。由于动态考虑了无人机与入侵飞机对避撞区的影响因素, 提高了所建包络的针对性, 缩小了避撞区包络所占的空域面积, 不仅避免了一些不必要的规避机动, 而且还可以使繁忙的空域得到更合理的利用。仿真结果验证了所建动态避撞区的有效性。

根据无人机的飞行任务需要, 提出一种适用于无人机的地形匹配辅助导航系统。该系统采用TERCOM算法和SITAN算法相结合的地形匹配组合导航算法, 以满足无人机机动飞行情况下连续匹配的要求。为验证系统的有效性, 根据真实地形数据, 建立由数字飞机、飞行控制系统、惯性导航系统和地形匹配系统组成的闭环仿真平台, 研究了不同飞行条件对导航精度的影响。仿真结果表明, 该系统能够有效提高无人机的自主导航精度, 具有较高的工程实用价值。

提出改进的流函数法为无人机在复杂地形环境下进行航路规划。针对传统流函数法在多个障碍物航路规划时存在的问题，进行了理论分析，并给出一种虚拟动态目标的方法，解决了两个障碍物重叠情况的航路规划问题。为满足无人机的机动约束，将无人机自身的约束条件转化为虚拟障碍，以保证规划出的航路可飞。仿真结果表明，该方法能够在复杂地形条件下快速地为无人机规划出一条可飞的航路，具有较好的工程应用价值。