基于直接力的飞翼布局舰载机精确着舰控制

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31422

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基于直接力的飞翼布局舰载机精确着舰控制

邹雨春, 陶呈纲, 甄子洋(), 尹志滨, 陈以琨

南京航空航天大学自动化学院，南京 210016

收稿日期:2024-10-21 修回日期:2024-11-20 接受日期:2025-02-13 出版日期:2025-03-07 发布日期:2025-03-06
通讯作者: 甄子洋 E-mail:zhenziyang@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(61973158);中央高校基本科研业务费专项资金(56XCA2402810)

Precision landing control based on direct force for flying-wing carrier-based aircraft

Yuchun ZOU, Chenggang TAO, Ziyang ZHEN(), Zhibin YIN, Yikun CHEN

College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2024-10-21 Revised:2024-11-20 Accepted:2025-02-13 Online:2025-03-07 Published:2025-03-06
Contact: Ziyang ZHEN E-mail:zhenziyang@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61973158);The Fundamental Research Funds for the Central Universities(56XCA2402810)

摘要/Abstract

摘要：

飞翼布局战斗机独特的优势使其成为未来先进战斗机发展方向之一。面对具有新型舵面配置的飞翼布局飞机在着舰控制过程中存在的非线性、控制量冗余且耦合、舰尾流干扰等问题，建立了多操纵面无尾布局飞机六自由度非线性数学模型，提出了一种基于增量非线性动态逆（INDI）控制框架的直接力着舰控制律：非线性增量动态逆方法设计直接力航迹控制律、姿态角控制律和速度保持控制律，并设计了固定时间干扰观测器（FTDO）用于估计和补偿直接力控制回路和姿态控制回路之间的耦合，实现2个回路之间的动态解耦。考虑各种舵面特性和推力矢量的执行能力，设计了气动舵面与推力矢量一体化直接力控制方法，使用气动系数雅可比矩阵将非线性控制分配问题转化成增量线性控制分配问题，在线快速解算实际舵面偏转增量。仿真验证表明：在飞翼布局舰载机着舰控制律中引入基于增量非线性动态逆的直接力控制，可以提高该种布局形式舰载机在舰尾流干扰情况下快速修正航迹、抑制舰尾流干扰的能力，最终显著提高该类飞机着舰的精度，为飞翼布局舰载机上舰提供一种思路。

关键词: 飞翼布局, 精确着舰, 直接力控制, 魔毯, 增量动态逆, 飞行控制系统

Abstract:

The unique advantages of the flying-wing aircraft make it one of the future directions for advanced fighter development. However， in the landing control process， flying-wing aircraft with novel rudder configurations faces such challenges as the nonlinearity， redundancy and coupling of control surfaces， and interference from ship wakes of. To address these issues， this paper establishes a six-degree-of-freedom nonlinear mathematical model of tailless aircraft with multiple control surfaces and proposes a direct force control law based on the Incremental Nonlinear Dynamic Inversion （INDI） control framework. This proposed method designs a direct force trajectory control law， an attitude angle control law， and a speed maintenance control law using the nonlinear incremental dynamic inversion approach. Additionally， a Fixed-Time Disturbance Observer （FTDO） is designed to estimate and compensate for the coupling between the direct force control loop and the attitude control loop， achieving dynamic decoupling between the two loops. Considering various control surface characteristics and the execution capability of thrust vectoring， an integrated direct force control method combining aerodynamic control surfaces and thrust vectoring is designed. The nonlinear control allocation problem is transformed into an incremental linear control allocation problem using the aerodynamic coefficient Jacobian matrix， allowing for rapid online calculation of actual control surface deflection increments. Simulation verification shows that introducing direct force control based on incremental nonlinear dynamic inversion into the landing control law of flying-wing carrier-based aircraft can enhance the ability of such aircraft to quickly correct trajectories and suppress airwake， which ultimately， significantly improves the precision of aircraft landing and provides a solution for the deployment of flying-wing carrier-based aircraft.

Key words: flying-wing, precision carrier landing, direct force control, magic carpet, incremental dynamic inversion, flight control system

中图分类号:

V249.1

邹雨春, 陶呈纲, 甄子洋, 尹志滨, 陈以琨. 基于直接力的飞翼布局舰载机精确着舰控制[J]. 航空学报, 2025, 46(13): 531422.

Yuchun ZOU, Chenggang TAO, Ziyang ZHEN, Zhibin YIN, Yikun CHEN. Precision landing control based on direct force for flying-wing carrier-based aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(13): 531422.

图/表 27

图 1

表 1

ICE飞机主要参数

参数	数值
质量m/kg	16 820.9
参考机翼面积S/ $m 2$	75.1
参考翼展b/m	11.4
平均气动弦长c/m	8.7
推力纵向力臂 $d n$ /m	5.7

表 1

图 2

图 3

图 4

表 2

ICE飞机舵面定义

舵面	符号	位置限制/（°）	速率限制/ （（°）∙s^-1）
内侧前缘襟翼	$δ l i f, δ r i f$	［0， 40］	40
外侧前缘襟翼	$δ l o f, δ r o f$	［-40， 40］	40
全动翼尖	$δ l a, δ r a$	［0， 60］	150
升降副翼	$δ l e, δ r e$	［-30， 30］	150
嵌入面	$δ l s, δ r s$	［0， 60］	150
俯仰襟翼	$δ p f$	［-30， 30］	150

表 2

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

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图 18

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图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

参考文献 25

[1]	张伟，赵轲，夏露，等. 飞翼布局翼型系列设计进展［J］. 空气动力学学报， 2021， 39（6）： 37-52.
	ZHANG W， ZHAO K， XIA L， et al. A multi-disciplinary global/local optimization method for flying-wing airfoils design‍［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2021， 39（6）： 37-52 （in Chinese）.
[2]	陈清阳，辛宏博，王鹏，等. 飞翼布局飞行器研究现状分析［J］. 国防科技大学学报， 2024， 46（3）： 39-58.
	CHEN Q Y， XIN H B， WANG P， et al. Analysis of the current research on the flying-wing aircraft［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2024， 46（3）： 39-58 （in Chinese）.
[3]	WHITTENBURY J. Configuration design development of the navy UCAS-D X-47B［C］‍∥AIAA Centennial of Naval Aviation Forum “100 Years of Achievement and Progress”. Reston： AIAA， 2011.
[4]	甄子洋，王新华，江驹，等. 舰载机自动着舰引导与控制研究进展［J］. 航空学报， 2017， 38（2）： 020435.
	ZHEN Z Y， WANG X H， JIANG J， et al. Research progress in guidance and control of automatic carrier landing of carrier-based aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（2）： 020435 （in Chinese）.
[5]	张志冰，甄子洋，江驹，等. 舰载机自动着舰引导与控制综述‍［J］. 南京航空航天大学学报， 2018， 50（6）： 734-744.
	ZHANG Z B， ZHEN Z Y， JIANG J， et al. Review on development in guidance and control of automatic carrier landing of carrier-based aircraft［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2018， 50（6）： 734-744 （in Chinese）.
[6]	甄子洋. 舰载无人机自主着舰回收制导与控制研究进展［J］. 自动化学报， 2019， 45（4）： 669-681.
	ZHEN Z Y. Research development in autonomous carrier-landing/ship-recovery guidance and control of unmanned aerial vehicles‍［J］. Acta Automatica Sinica， 2019， 45（4）： 669-681 （in Chinese）.
[7]	杨一栋. 直升机飞行控制［M］. 北京：国防工业出版社， 2007： 131-148.
	YANG Y D. Helicopter flight control［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 2007： 131-148 （in Chinese）.
[8]	YUAN Y， DUAN H B， ZENG Z G. Automatic carrier landing control with external disturbance and input constraint［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2023， 59（2）： 1426-1438.
[9]	YU Y， WANG H L， LI N， et al. Automatic carrier landing system based on active disturbance rejection control with a novel parameters optimizer［J］. Aerospace Science and Technology， 2017， 69： 149-160.
[10]	DENHAM J W. Project MAGIC CARPET： “Advanced controls and displays for precision carrier landings” ［C］∥54th AIAA Aerospace Sciences Meeting. Reston： AIAA， 2016.
[11]	吴文海，汪节，高丽，等. MAGIC CARPET着舰技术分析［J］. 系统工程与电子技术， 2018， 40（9）： 2079-2091.
	WU W H， WANG J， GAO L， et al. Analysis on MAGIC CARPET carrier landing technology‍［J］. Systems Engineering and Electronics， 2018， 40（9）： 2079-2091 （in Chinese）.
[12]	段卓毅，王伟，耿建中，等. 舰载机人工进场着舰精确轨迹控制技术［J］. 航空学报， 2019， 40（4）： 622328.
	DUAN Z Y， WANG W， GENG J Z， et al. Precision trajectory manual control technologies for carrier-based aircraft approaching and landing［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（4）： 622328 （in Chinese）.
[13]	张志冰，张秀林，王家兴，等. 一种基于多操纵面控制分配的IDLC人工着舰精确控制方法［J］. 航空学报， 2021， 42（8）： 525840.
	ZHANG Z B， ZHANG X L， WANG J X， et al. An IDLC landing control method of carrier-based aircraft based on control allocation of multiple control surfaces［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（8）： 525840 （in Chinese）.
[14]	罗飞，张军红，王博，等. 基于直接升力与动态逆的舰尾流抑制方法［J］. 航空学报， 2021， 42（12）： 124770.
	LUO F， ZHANG J H， WANG B， et al. Air wake suppression method based on direct lift and nonlinear dynamic inversion control［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（12）： 124770 （in Chinese）.
[15]	罗飞，张军红. 基于增量动态逆框架的舰载机直接升力航迹控制［J］. 飞行力学， 2021， 39（6）： 29-35， 48.
	LUO F， ZHANG J H. Carrier-based aircraft trajectory control using direct lift based on incremental nonlinear dynamic inversion framework［J］. Flight Dynamics， 2021， 39（6）： 29-35， 48 （in Chinese）.
[16]	GUAN Z Y， LIU H， ZHENG Z W， et al. Moving path following with integrated direct lift control for carrier landing［J］. Aerospace Science and Technology， 2022， 120： 107247.
[17]	张孝伟. 飞翼舰载无人机着舰控制技术研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2017： 38-48.
	ZHANG X W. Research on landing control technology of flying wing carrier-based UAV‍［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2017： 38-48 （in Chinese）.
[18]	王峰. 多操纵面先进布局舰载无人机飞行控制技术研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2022： 24-44.
	WANG F. Research on flight control technology of ship-borne UAV with advanced layout of multi-control surfaces‍［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2022： 24-44 （in Chinese）.
[19]	ADDINGTON G A. Control-surface deflection effects on the innovative control effectors （ICE 101） design［M］. Wright-Patterson Air Force Base： AFRL， 2000.
[20]	GILLARD W J. Innovative control effectors （configuration 101） dynamic wind tunnel test report rotary balance and forced oscillation tests： AFRL-VA-WP-TR-1998-3043 ［R］. Wright-Patterson Air Force Base： AFRL， 1998.
[21]	NIESTROY M A， DORSETT K M， MARKSTEIN K. A tailless fighter aircraft model for control-related research and development［C］‍∥AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference. Reston： AIAA， 2017.
[22]	HRISTOV G. Innovative control effectors for maneuvering of air vehicles［J］. Illinois Tech Undergraduate Research Journal， 2015： 6-18.
[23]	马超，王立新. 飞翼布局作战飞机起降特性分析［J］. 北京航空航天大学学报， 2009， 35（4）： 429-433.
	MA C， WANG L X. Take-off and landing features of flying-wing configuration fighter［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2009， 35（4）： 429-433 （in Chinese）.
[24]	MATAMOROS I， DE VISSER C C. Incremental nonlinear control allocation for a tailless aircraft with innovative control effectors［C］‍∥2018 AIAA Guidance， Navigation， and Control Conference. Reston： AIAA， 2018.
[25]	ZUO Z Y， HAN Q L， NING B D. Fixed-time cooperative control of multi-agent systems‍［M］. Cham： Springer International Publishing， 2019： 22.

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[1]	吕晓晨, 史静平, 吕永玺, 李耕农. 传感器失效下的魔毯着舰气流角重构算法[J]. 航空学报, 2025, 46(13): 531159-531159.
[2]	闫明, 王家兴, 李贺琦, 刘凯. 基于离线网络/在线辨识的舰载机自抗扰控制[J]. 航空学报, 2025, 46(13): 531317-531317.
[3]	侯雁翔, 冯立好. 飞翼布局主动流动控制风洞虚拟飞行试验[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 630636-630636.
[4]	李思桐, 夏露, 周琳, 赵轲. 考虑涂敷的翼型气动高频电磁隐身一体化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(17): 529874-529874.
[5]	赵轲, 邓俊, 黄江涛, 陈树生, 高正红. 飞翼布局高低速一体化气动优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(15): 129367-129367.
[6]	罗飞, 胡志勇, 李军府, 马泽孟, 艾俊强. 软式拖曳捕获器自主对接控制系统设计与车载试验[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 628921-628921.
[7]	邵帅, 郭正, 贾高伟, 陈清阳, 侯中喜, 张来平. 中等展弦比飞翼布局无人机后缘射流滚转控制[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 127437-127437.
[8]	陈宪, 陈诚, 黄江涛, 陈其盛, 余龙舟, 钟世东. 腹部襟翼对飞翼布局飞行器起降气动特性的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(3): 125028-125028.
[9]	刘畅, 蒋永平, 马春燕, 张涛. 基于NuSMV的AADL模型形式化验证技术[J]. 航空学报, 2022, 43(3): 325196-325196.
[10]	冯立好, 魏凌云, 董磊, 王晋军. 飞翼布局飞机耦合运动失稳的主动流动控制[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527353-527353.
[11]	张志冰, 张秀林, 王家兴, 史静平. 一种基于多操纵面控制分配的IDLC人工着舰精确控制方法[J]. 航空学报, 2021, 42(8): 525840-525840.
[12]	刘志涛, 蒋永, 聂博文, 岑飞, 徐圣. 弯折翼尖对飞翼布局飞机气动特性影响[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 124179-124179.
[13]	罗飞, 张军红, 王博, 唐瑞琳, 唐炜. 基于直接升力与动态逆的舰尾流抑制方法[J]. 航空学报, 2021, 42(12): 124770-124770.
[14]	党小为, 唐鹏, 孙洪强, 郑琛. 基于角加速度估计的非线性增量动态逆控制及试飞[J]. 航空学报, 2020, 41(4): 323534-323534.
[15]	孙全兵, 史志伟, 耿玺, 王力爽, 张维源. 基于主动流动控制技术的无舵面飞翼布局飞行器姿态控制[J]. 航空学报, 2020, 41(12): 124080-124080.