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

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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:2023-05-25 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:2023-05-25 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

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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）

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