非匹配包线下无人机空基回收拖曳系统协调运动规划

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27377

电子电气工程与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

非匹配包线下无人机空基回收拖曳系统协调运动规划

苏子康¹, 陈海通¹, 李春涛¹(), 邢卓琳¹, 王宏伦²

^1.南京航空航天大学自动化学院，南京 210016
^2.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100191

收稿日期:2022-05-05 修回日期:2022-05-30 接受日期:2022-06-16 出版日期:2022-06-28 发布日期:2022-06-24
通讯作者: 李春涛 E-mail:lct115@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(61903190);航空科学基金(2019ZA052006);无人机特种技术重点实验室基金(2022-JCJQ-LB-071);江苏省自然科学基金(BK20190401);中国博士后科学基金(2020M681588)

Coordinating motion planning for towed cable system in UAV aerial recovery with unmatched envelope

Zikang SU¹, Haitong CHEN¹, Chuntao LI¹(), Zhuolin XING¹, Honglun WANG²

^1.College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2022-05-05 Revised:2022-05-30 Accepted:2022-06-16 Online:2022-06-28 Published:2022-06-24
Contact: Chuntao LI E-mail:lct115@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61903190);Aeronautical Science Foundation of China(2019ZA052006);Foundation of Science and Technology on UAV Laboratory(2022-JCJQ-LB-071);Natural Science Foundation of Jiangsu Province of China(BK20190401);China Postdoctoral Science Foundation(2020M681588)

摘要/Abstract

摘要：

针对非匹配包线下固定翼无人机（UAV）拖曳式空基回收过程中的浮标轨迹稳定问题，提出一种盘旋拖曳系统运动规划方法，通过实时协调母机运动和缆绳收放从而实现浮标拖曳轨道精准稳定。首先，构建气流扰动下考虑缆绳弹性和收放特性的母机-缆绳-浮标组合体多体动力学模型。继而，综合考虑拖曳系统动力学约束和母机飞行能力、缆绳收放能力等物理约束，分别建立基于母机运动和基于母机运动-缆绳收放协调的盘旋拖曳系统运动规划最优控制模型。随后，采用hp自适应Radau伪谱法将所建最优控制模型转化为非线性规划问题，并通过SNOPT求解器解算。最终，通过平静大气下母机运动规划、常值风扰下母机运动规划和常值风扰下母机运动-缆绳收放协调运动规划等典型场景下的仿真实验对比分析表明，本方法可实现一定气流扰动和拖曳系统物理约束下浮标拖曳轨道精准稳定。

关键词: 空基回收, 盘旋拖曳系统, 运动规划, 无人机, hp自适应Radau伪谱法

Abstract:

This paper proposes a motion planning method that coordinates mothership movement and cable winch control to stabilize the drogue of the towed cable system during fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle （UAV） aerial recovery with unmatched envelope. A multi-link cable-drogue and mothership dynamics model under the airflow disturbances was first established. Two optimal drogue trajectory control problems subject to the physical limits of the mothership and cable were then formulated， considering dynamic constraints of the towed cable and mothership. Next， the hp adaptive Radau pseudospectral method was employed to convert the optimal trajectory control problems into nonlinear programming problems which were then solved by the nonlinear programming solver software SNOPT. Finally， three typical scenarios including mothership motion planning under a quiet atmosphere and constant wind， and coordinating motion planning of mothership movement and cable winch under constant wind were conducted to verify the effectiveness of the proposed method. Numerical results show that the proposed method can well control the drogue trajectory subject to physical limits and wind disturbances.

Key words: aerial recovery, circularly towed cable system, motion planning, UAV, hp adaptive Radau pseudospectral method

中图分类号:

V249

苏子康, 陈海通, 李春涛, 邢卓琳, 王宏伦. 非匹配包线下无人机空基回收拖曳系统协调运动规划[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 327377-327377.

Zikang SU, Haitong CHEN, Chuntao LI, Zhuolin XING, Honglun WANG. Coordinating motion planning for towed cable system in UAV aerial recovery with unmatched envelope[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(10): 327377-327377.

图/表 26

图 1

图 2

图3

图 4

图 5

表 1

缆绳和拖曳浮标仿真参数［7，29］

对象	参数	数值
缆绳	长度 $l 0$ /m	1 200
	密度 $ρ l$ /（kg·m^-3）	970
	直径 $d l$ /m	2×10^-3
	弹性模量 $E$ /Pa	1.2×10¹¹

浮标	质量 $m d r$ /kg	30
	气动面积 $S d r$ /m²	0.785
	阻力系数 $C D d r$	0.42
	升力系数 $C L d r$	0.01

表 1

表 2

母机和缆绳的物理性能限制［13，15］

对象	参数	数值
母机	空速速率 $V 0$ /（m·s^-1）	［40，100］
	航向角速率 $ψ ˙$ /（rad·s^-1）	［-0.35，0.35］
	航迹倾斜角 $γ$ /rad	［-0.35，0.35］
	加速度 $a 0 j$ /（m·s^-2）	［-6，6］

缆绳	收放长度 $l c$ /m	［-300，300］
	收放速率 $l ˙ c$ /（m·s^-1）	［-5，5］
	收放加速度 $l ¨ c$ /（m·s^-2）	［-1，1］

表 2

图6

图7

表 3

浮标直线飞行转盘旋飞行仿真参数

参数	数值
母机高度 $H 0 s$ /m	2 000
母机初始速度 $V 0 s$ /（m·s^-1）	120
母机终点速度 $V 0 e$ /（m·s^-1）	60
母机初始半径 $M s$ /m	1 600
母机终点半径 $M e$ /m	800
母机直线飞行结束时刻 $t s$ /s	20
母机过渡飞行结束时刻 $t c$ /s	220
母机盘旋飞行结束时刻 $t e$ /s	400

表 3

图8

表 4

图 9

图 10

图 11

图 12

表 5

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

参考文献 29

1	王祥科，刘志宏，丛一睿，等. 小型固定翼无人机集群综述和未来发展［J］. 航空学报， 2020， 41（4）： 023732.
	WANG X K， LIU Z H， CONG Y R， et al. Miniature fixed-wing UAV swarms： Review and outlook［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（4）： 023732 （in Chinese）.
2	苏子康，徐忠楠，李春涛，等. 伸缩套臂式无人机空基回收建模与对接控制［J］. 航空学报， 2023， 44（1）： 326315.
	SU Z K， XU Z N， LI C T， et al. Modeling and docking control of aerial recovery in the form of telescopic boom［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（1）： 326315 （in Chinese）.
3	SU Z K， LI C T， WU J F， et al. Neuro-adaptive prescribed performance control for aerial-recovery drogue with actuator constraints［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2022， 45（8）： 1451-1465.
4	SU Z K， LIU Y H， WANG H L. Probe dynamics direct control for aerial recovery with preassigned docking performance［J/OL］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems（2022-02-16）［2022-05-03］. .
5	曹莉，耿斌斌，周亮，等. 无人机集群发射与回收技术发展研究［J］. 空天防御， 2019， 2（2）： 68-72.
	CAO L， GENG B B， ZHOU L， et al. Research on UAVs launch and recovery technology development［J］. Air & Space Defense， 2019， 2（2）： 68-72 （in Chinese）.
6	SUN L， BEARD R W， COLTON M B. Motion planning and control for mothership-cable-drogue systems in aerial recovery of micro air vehicles［C］∥ Proceedings of the 2010 American Control Conference. Piscataway： IEEE Press， 2010： 2101-2106.
7	SUN L. Dynamic modeling， trajectory generation and tracking for towed cable systems［D］. Provo： Brigham Young University， 2012： 19-36.
8	NO T S， COCHRAN J E. Dynamics and control of a tethered flight vehicle［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 1995， 18（1）： 66-72.
9	RO K， KUK T， KAMMAN J. Active control of aerial refueling hose-drogue systems： AIAA-2010-8400［R］. Reston： AIAA， 2010.
10	SU Z K， LI C T， LIU Y H. Anti-disturbance dynamic surface trajectory stabilization for the towed aerial recovery drogue under unknown airflow disturbances［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2021， 150： 107342.
11	WILLIAMS P. Optimization of circularly towed cable system in crosswind［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2010， 33（4）： 1251-1263.
12	WILLIAMS P， SGARIOTO D， TRIVAILO P. Optimal control of an aircraft-towed flexible cable system［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2006， 29（2）： 401-410.
13	WILLIAMS P， TRIVAILO P. Dynamics of circularly towed aerial cable systems， Part 2： Transitional flight and deployment control［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2007， 30（3）： 766-779.
14	SUN L， BEARD R. Towed body altitude stabilization and states estimation in aerial recovery of micro air vehicles： AIAA-2010-8414［R］. Reston： AIAA， 2010.
15	SUN L， HEDENGREN J D， BEARD R W. Optimal trajectory generation using model predictive control for aerially towed cable systems［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2014， 37（2）： 525-539.
16	崔乃刚，郭冬子，李坤原，等. 飞行器轨迹优化数值解法综述［J］. 战术导弹技术， 2020（5）： 37-51， 75， 5.
	CUI N G， GUO D Z， LI K Y， et al. A survey of numerical methods for aircraft trajectory optimization［J］. Tactical Missile Technology， 2020（5）： 37-51， 75， 5 （in Chinese）.
17	王丽英，张友安，赵国荣，等. 高超声速飞行器再入突防轨迹快速优化［J］. 应用科学学报， 2013， 31（4）： 434-440.
	WANG L Y， ZHANG Y A， ZHAO G R， et al. Rapid optimization of penetration trajectory for hypersonic reentry vehicle［J］. Journal of Applied Sciences， 2013， 31（4）： 434-440 （in Chinese）.
18	粟建波，张立丰，张甲奇. 基于Radau伪谱法的无人作战飞机四维轨迹规划［J］. 飞行力学， 2020， 38（1）： 41-45， 53.
	SU J B， ZHANG L F， ZHANG J Q. 4D trajectory planning of UCAV based on Radau pseudo-spectral method［J］. Flight Dynamics， 2020， 38（1）： 41-45， 53 （in Chinese）.
19	HAN P， SHAN J Y， MENG X Y. Re-entry trajectory optimization using an hp-adaptive Radau pseudospectral method［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2013， 227（10）： 1623-1636.
20	SU Z K， WANG H L. A novel robust hybrid gravitational search algorithm for reusable launch vehicle approach and landing trajectory optimization［J］. Neurocomputing， 2015， 162： 116-127.
21	SU Z K， WANG H L， YAO P. A hybrid backtracking search optimization algorithm for nonlinear optimal control problems with complex dynamic constraints［J］. Neurocomputing， 2016， 186： 182-194.
22	王铀，赵辉，惠百斌，等. 利用Radau伪谱法求解UCAV对地攻击轨迹研究［J］. 电光与控制， 2012， 19（10）： 50-53.
	WANG Y， ZHAO H， HUI B B， et al. Air-to-ground trajectory planning for UCAVs using a Radau pseudo-spectral method［J］. Electronics Optics & Control， 2012， 19（10）： 50-53 （in Chinese）.
23	黄诘，张友安，王丽英. 基于Radau伪谱法的非线性最优控制问题的收敛性［J］. 控制理论与应用， 2014， 31（2）： 263-267.
	HUANG J， ZHANG Y A， WANG L Y. Convergence of nonlinear optimal control problem using Radau pseudospectral method［J］. Control Theory & Applications， 2014， 31（2）： 263-267 （in Chinese）.
24	王海涛，李军营，梁立威，等. 基于hp自适应Radau伪谱法的再入飞行器轨迹优化［J］. 科学技术与工程， 2015， 15（2）： 165-171.
	WANG H T， LI J Y， LIANG L W， et al. Track optimizing for reentry vehicle based on hp-adaptive Radau pseudospectral method［J］. Science Technology and Engineering， 2015， 15（2）： 165-171 （in Chinese）.
25	ENOMOTO K， YAMASAKI T， TAKANO H， et al. Guidance and control system design for chase UAV： AIAA-2008-6842［R］. Reston： AIAA， 2008.
26	李辉，龙腾，孙景亮，等. 基于自适应视线法的无人机三维航迹跟踪方法［J］. 航空学报， 2022， 43（9）： 326105.
	LI H， LONG T， SUN J L， et al. Adaptive line-of-sight method for 3D path following of UAVs［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（9）： 326105 （in Chinese）.
27	WILLIAMS P， LAPTHORNE P， TRIVAILO P. Circularly-towed lumped mass cable model validation from experimental data： AIAA-2006-6817［R］. Reston： AIAA， 2006.
28	王海涛，董新民，郭军，等. 空中加油软管锥套组合体甩鞭现象动力学建模与分析［J］. 航空学报， 2015， 36（9）： 3116-3127.
	WANG H T， DONG X M， GUO J， et al. Dynamics modeling and analysis of hose whipping phenomenon of aerial refueling hose-drogue assembly［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2015， 36（9）： 3116-3127 （in Chinese）.
29	WILLIAMS P， TRIVAILO P. Dynamics of circularly towed aerial cable systems， Part I： Optimal configurations and their stability［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2007， 30（3）： 753-765.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	母机	浮标
位置/m	（-800，0，-2 000）	（144.8，366.0，-1 568.0）
速度/（m·s^-1）	（0，-60，0）	（-27.5，10.9，0）

参数	母机	浮标
位置/m	（-776.9，-124.1，-1 947.0）	（144.8，366.0，-1 568.0）
速度/（m·s^-1）	（-0.1，-49.7，3.2）	（-27.5，10.9，0）

[1]	张安, 杨咪, 毕文豪, 张百川, 王雨农. 基于多策略GWO算法的不确定环境下异构多无人机任务分配[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 327115-327115.
[2]	马亚杰, 王娟, 姜斌, 龚建业. 一种无人机⁃无人车编队系统容错控制方法[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 327216-327216.
[3]	符小卫, 徐哲, 朱金冬, 王楠. 基于PER-MATD3的多无人机攻防对抗机动决策[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 327083-327083.
[4]	肖和业, 杨建峰, 白俊强, 张旭东, 吴利荣. 面向任务需求的模块化无人机配置方法[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 327100-327100.
[5]	奉志强, 谢志军, 包正伟, 陈科伟. 基于改进YOLOv5的无人机实时密集小目标检测算法[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 327106-327106.
[6]	冒国韬, 邓天民, 于楠晶. 基于多尺度分割注意力的无人机航拍图像目标检测算法[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 326738-326738.
[7]	许勇, 颜鸿涛, 贾涛, 马跃, 邓泽华, 刘多能. 固定翼集群无人机空中模拟对接技术[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 326539-326539.
[8]	唐永兴, 朱战霞, 张红文, 罗建军, 袁建平. 机器人运动规划方法综述[J]. 航空学报, 2023, 44(2): 26495-026495.
[9]	薛远亮, 金国栋, 谭力宁, 许剑锟. 基于多尺度融合的自适应无人机目标跟踪算法[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 326107-326107.
[10]	苏子康, 徐忠楠, 李春涛, 陈海通, 王宏伦. 伸缩套臂式无人机空基回收建模与对接控制[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 326315-326315.
[11]	郭琪磊, 桑为民, 牛俊杰, 袁烨. 复杂气象条件下考虑结冰风险的无人机飞行策略[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 627518-627518.
[12]	刘雷, 刘大卫, 王晓光, 陈俊男, 刘东兴. 无人机集群与反无人机集群发展现状及展望[J]. 航空学报, 2022, 43(S1): 726908-726908.
[13]	杨明月, 寿莹鑫, 唐勇, 刘畅, 许斌. 多四旋翼无人机编队保持与避碰控制[J]. 航空学报, 2022, 43(S1): 726913-726913.
[14]	胡阳修, 赵长春, 贾成龙, 钱洲元, 胡涛. 基于ROS的集群无人机同步路径编队控制[J]. 航空学报, 2022, 43(S1): 726914-726914.
[15]	胡伟, 万文章, 陈谋. 基于神经网络和干扰观测器的UAV自动着舰控制[J]. 航空学报, 2022, 43(S1): 726963-726963.

非匹配包线下无人机空基回收拖曳系统协调运动规划

Coordinating motion planning for towed cable system in UAV aerial recovery with unmatched envelope

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 26

参考文献 29

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价