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

2007年，美国空军试验室 （AFRL） 为KC-135建立了加油伸缩管训练模拟器的运动模型，随后美国空军技术中心 （AFIT） 为研究扩展加油伸缩管的运动包线建立了加油伸缩管模型。以上建模工作均未考虑加油机与加油伸缩管之间的相互作用，是一种理想条件下的模型，不能精确描述加油伸缩管的运动。因此有学者从系统整体角度出发建立包含该相互作用的硬式加油系统模型。Smith J.J.对加油机、加油伸缩管外管和内管分别建立刚体动力学方程，再根据铰链处的约束进行连接，从而得到加油机-加油伸缩管系统的动力学模型；Smith A.L.等人采用拉格朗日乘子法对加油机和受油机整体建立模型；黑文静等人研究了加油机-加油伸缩管-受油机的多体动力学问题，利用凯恩原理完成加油系统建模。从系统整体角度考虑加油机、加油伸缩管和受油机的相互作用，并对硬式加油系统进行建模，更好地反映空中加油时三者的相互关系。

在细长杆结构建模方面，BlakeW.B.等人利用Cosserat理论建立了细长杆的三维非线性动力学模型，借助伪刚体法和变分原理得到了 Cosserat杆包含各种形变的三维空间运动方程，得到的结果与用Newton法则得到的结果一致。刘东生等人从非线性动力学的视角认识细长压杆的稳定性，通过讨论平衡态存在性和稳定性，得到了含三次非线性项的动力学模型分岔条件。

由于输油过程引起的质量变化会打破受油机的受力平衡，使其偏离原先的运动状态，若处理不当则会导致加油设备损坏、连接断开等后果，因此受油机的质心变化是需要考虑的另一个重要因素。郭军等人将受油机分为不包括燃油的固定质量部分和包括燃油的可变质量部分，计算受油机实时的质量、质心和转动惯量，并将质量变化率引入建模过程；MaoWeixin在研究加油技术时，除了建立考虑质量变化的受油机模型外，还比较了无控状态下和重配平控制状态下受油机的运动特点，并研究了加油速率、油箱纵向位置以及探针的横侧向位置对受油机运动的影响。

以上研究重点集中在加油伸缩管的刚体特性上，而加油伸缩管受外界影响产生的弹性形变也是影响控制效果的重要因素之一。在研究硬式加油伸缩管的弹性问题时，需要对弹性振动模态、弹性伸缩管气动参数以及弹性伸缩管数学模型等问题进行研究。AlbanoE.等人利用有限元计算技术以及相关的动网格技术，对弹性体进行了仿真分析，并得到了相关的变形云图、模态振型以及弹性与刚性的响应对比曲线，该研究仅停留在数值仿真阶段，并未得到具体的数学模型。由于加油伸缩管是大长细比结构的长杆，在外界环境的激励下容易产生振动，因此硬式空中加油过程中受到的复杂多变的外部环境会对其弹性造成影响。DanielA.和ReasorJr.等人以KC-135 R加油机为例，研究加油伸缩管结冰物理试验模型，提供具有气动弹性的模型，并通过仿真实现飞行测试。总体而言，国内外对于伸缩管弹性问题的研究成果相对较少，研究还不够成熟。

此外，硬式空中加油过程中受到的风场等外部环境也是影响建模精度的重要因素。风场因素不仅会对加油机和受油机的运动模型带来干扰，同时由于加油伸缩管特殊的细长杆结构，在外界环境的激励下容易产生振动，因此还会对加油伸缩管的结构稳定性造成一定影响。风场中存在的气流扰动分为尾流场、常值风和大气紊流三类。尾流场建模一般采用马蹄涡理论，大气紊流通常采用德莱顿模型或冯卡门模型。AtillaDogan 等人比较了尾流场对受油机影响的风洞试验结果和理论计算结果，将气流扰动等效为平均风与平均风梯度，再通过气动等效方法将其转化为受油机迎角、侧滑角、空速和三轴角速率的变化，这是将气流扰动引入受油机模型的常用方法。

1.4.2 硬式空中加油控制方法设计

加油过程一般分为会合、对准、对接、脱离四个阶段，每个阶段都涉及各种控制技术，包括导航、协同、定位、对准、跟踪、位姿、弹性抑制和自动卸荷控制等。因此为了确保空中加油的顺利完成，需要对硬式空中加油的各个阶段设计合理可靠的控制律。

会合阶段可以概括为考虑约束条件和最优性能要求的制导律设计或航迹规划问题。BrianBurns等人采用Dubin曲线，以会合时间最小为性能指标，以航迹角速率、速度和加速度限制为约束条件规划了自主会合最优航迹，采用动态逆方法设计了会合段控制律。但是该方法设计的制导律形式复杂，郭军等人通过修改针对固定目标的终端碰撞角约束的比例导引律，并在末端结合纯追踪法设计自主会合制导律实现精确跟踪。盖文东等人采用导引环与姿态控制环分离的控制策略，通过非线性路径跟随方法和自适应神经网络动态逆方法，提高会合段受油机跟踪控制系统抗干扰与不确定性的能力。Smith等人提出了一种方法，该方法采用终端自适应比例导引方案，利用获取到的加油机航迹信息，不断对会合点进行估计。Ochi等人基于传统比例导引和视线角，设计出了一种受油机自主会合导引律，该导引律考虑了会合结束时，受油机与加油机保持相同的末端速度。袁锁中等人基于受油机与加油机的空间位置以及视线角，采用比例制导方法求解出受油机法向加速度、侧向加速度，并设计了法向加速度、侧向加速度以及速度控制系统。

对准阶段是硬式空中加油的第二阶段，主要包括视觉对准和加油伸缩管姿态控制两部分内容。视觉对准的目的主要是为了获取加油伸缩管和受油插座的空间位置，为后面加油伸缩管的姿态控制提供基础。加油伸缩管和受油插座的空间位置确定后就可以通过调节加油伸缩管的小翼控制加油伸缩管的姿态使加油伸缩管和受油插座对准。

JamesDoebbler等人研究了一种眼镜蛇光学传感器，在加油机腹部靠近万向节的地方安装了摄像头传感器，通过识别受油机背部涂装的目标图案，进而经过图像处理、特征值提取和匹配后得到受油机的姿态和位置信息，最终针对不同大气干扰环境下的加油系统自动对准技术进行了仿真验证。为了完成精确对准，MarcoMammarella提出了用于空中加油对准的MNP和MCD点对准算法并利用上述算法设计了相应控制律，从匹配精度和误差方面对比了这些算法的优点与缺点。波音公司在受油机上放置六个固定的以相同频率闪烁的红外线灯，通过安装在加油伸缩管末端的近红外光谱摄像机来捕捉带有光标记点的图像并进行处理，然后与已知几何关系进行对比得到每个灯的未知信息，并将这些数据传递给加油机，加油机由此计算得到两机的相对位置信息，从而控制加油伸缩管完成精确对准和对接。

中航第一飞机设计研究院的黑文静等人研究了加油伸缩管的解耦控制问题，首先将加油伸缩管作为独立的个体进行建模，接着分别将积分解耦以及输入-输出非线性反馈线性化等方法应用到加油伸缩管的控制中，实现了加油伸缩管的单通道姿态控制。西北工业大学的闫建国等使用了Creator中的LOD和DOF等技术建立了逼真的加油伸缩管和受油机模型，并在MFC中调用Vega的API函数控制加油伸缩管的伸缩、转动等动作，实时动态地模拟空中加油的过程，仿真效果理想。

对接阶段，加油伸缩管双端均受到约束，由于加油机和受油机的气动载荷以及惯性常量远大于加油伸缩管，此时难以通过加油伸缩管的小翼来调整加油伸缩管的姿态，而只能随着加油机和受油机的运动被动地发生姿态运动。由于加油伸缩管主要是受迫于受油机的位置变化发生姿态运动，在加油喷嘴对接处必然存在加油伸缩管和受油机的相互作用力。如果不采取相应的措施来抵消这部分作用力，那么加油过程会被迫中止甚至很有可能带来灾难性的后果。波音公司的SpeerThomas、HatcherJustion C.和MusgraveJeffreyL.在其专利中提出了一种自动卸荷控制系统，通过安装在加油伸缩管上的力传感器测量力信息，设计了一个二阶滤波器来平滑力信息，并消除力信息中包含的测量偏差得到加油头和受油机之间的力，提出了引入变化的动压来修正补偿自动卸荷控制系统的参数。

郭军等人针对硬式加油对接过程加油伸缩管和受油机的协同控制问题进行了探讨，设计了两种自动对接策略：一种策略是受油机首先到达指定位置，然后控制加油伸缩管完成对接，该策略受油机操纵简单，但耗时较长。针对这一问题提出了另一种协同控制策略，即根据加油伸缩管与受油机的相对位置，估计一个最佳的对接点，受油机和加油伸缩管同时朝这个点移动，最终在该处完成对接。北京航空航天大学的王宏伦提出了无人机自动空中加油的控制方案和策略，并在分析加油机尾涡干扰基础上，采用线性二次型调节器方法，设计了适用于自动空中加油精确对接控制的受油机参考轨迹发生器和轨迹跟踪控制器。

1.4.3 地面半物理仿真试验

在硬式空中加油地面半物理试验方面，波音公司曾搭建了一套全尺寸地面试验平台，如图1-4所示，试验内容包括加油伸缩管的运动和受油机的摄动。图左上部分为铁架台上安装的加油操作试验台以及和加油伸缩管实物等比例外形的地面加油试验管，加油伸缩管被铁架台固定，并通过液压伺服单元拖动模拟加油伸缩管在空中的运动。图中下部分为等比例受油机模拟台，固定在一台机械臂爪上，机械手臂的运动能够带动受油机俯仰、滚转、偏航等6个自由度运动。通过这套装置能够完整地模拟硬式空中加油对准过程中的加油伸缩管运动情况。由图可以看出，在受油机模拟平台上安装了输油回路，能够完成部分输油试验功能。

WilliamsonWaltonR.和波音公司合作开发搭建了试验室空中加油自动对准试验平台，如图1-5所示。图1-5a为试验台整体系统，前端设有数台计算机用于数据处理及加油对准控制，台架背面安装有双目摄像头、1∶8 的加油伸缩管缩比模型以及加油伸缩管驱动单元，驱动单元的上下、左右运动可以拖动加油伸缩管缩比模型实现俯仰及滚转运动。图1-5b采用F-16飞机模型作为受油机，受油机支架的导轨可提供上下、左右、前后三个方向的运动，受油机尾部通过三转轴提供俯仰、滚转和偏航三个角运动。

意大利比萨大学电力与自动控制系LorenzoPollin等在其试验室用六自由度的机械臂作为加油伸缩管的执行机构，实现了硬式空中加油过程半物理仿真试验。该半物理仿真试验中，机械臂带动受油机运动，参照加油伸缩管的运动，检验了加油机和受油机的多机协调飞行控制；同时，采用5个LED灯源作为受油机受油孔位置的特征值，并通过试验研究了加油机摄像系统对图像的处理分辨能力。

针对上述关于硬式空中加油系统建模及风场环境建模、控制方法设计、地面半物理仿真的研究，虽然取得了一定的成果，但这些研究结果仍存在诸多不足之处，亟待进一步解决。

1） 在相关学术文献中，建立的动力学模型大都进行了简化，如忽略输油过程中燃油转移引起的重心和质量的变化、未考虑复杂风场环境下加油系统的运动、假设加油伸缩管为理想刚体、将加油机运动视为定直平飞等，因此如何建立高精度的加油系统多耦合多体全量动力学模型是一项重要的工作。

2） 硬式空中加油各个阶段的控制方法都有较多研究成果，但对加油头径向力的自动卸荷以及加油伸缩管的弹性抑制研究很少。