طراحی کنترل‌ سامانه‌ سوخت‌گیری هوایی با استفاده از ترکیب بینایی ماشین و GPS با در نظر گرفتن اثرات جریان گردابی هواپیمای سوخت‌دهنده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری / دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوافضا

2 عضو هیات علمی / دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوافضا

چکیده

هدف از سوخت‌رسانی در پرواز، حل مشکل محدودیت مقدار سوخت حمل‌شده، تکنیکی برای افزایش برد و مداومت پروازی طولانی می‌باشد. در این مقاله، طراحی کنترل‌ کننده سیستم‌ سوخت‌گیری هوایی با استفاده از ترکیب بینایی ماشین و GPS به همراه فیلتر کالمن بی‌اثر تکراری با لحاظ کردن اثرات جریان گردابی هواپیمای سوخت‌دهنده و توربولانس اتمسفر مورد تحقیق قرار گرفته است. از آنجایی که مرحله اتصال بین دو وسیله پرنده، بسیار حساس، چالش‌برانگیز و در موفقیت‌آمیز بودن فرایند سوخت‌رسانی هوایی تأثیر مستقیمی دارد، طراحی کنترلی به منظور هدایت میله سوخت‌رسانی به دراگوی متحرک و سپس نگه‌داشتن میله سوخت‌رسان در آن مرحله تا کامل‌شدن فرایند سوخت‌گیری هوایی صورت پذیرفته است. برای این منظور، ابتدا مدل‌سازی هواپیمای گیرنده سوخت درحضور اثرات توربولانس اتمسفر و جریان گردابی هواپیمای سوخت‌دهنده، انجام شده است. سپس یک سیستم کنترلی LQR بین پراب و دراگو بر اساس ترکیب بینایی ماشین و GPS برای سوخت‌گیری هوایی پیشنهاد گردید. همچنین برای بدست آوردن موقعیت نسبی دقیق بین هواپیمای گیرنده سوخت و دراگو یک روش فیلتر کالمن بی اثر تکراری برای ادغام اطلاعات ارائه شده است. پس از پیاده‌سازی نرم‌افزاری و شبیه‌سازی، عملکرد مطلوبی با قانون کنترلی LQR جهت اتصال هواپیمای سوخت‌گیرنده به هواپیمای سوخت‌دهنده به دست آمده است. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که طرح کنترلی پیشنهادشده دقیقا می‌تواند موقعیت نسبی را بدست آورده و اتصال ایمن و موفقی بین دو وسیله پرنده را تحقق بخشد.

کلیدواژه‌ها


[1] Morscheck, Fabian, MO Li. Benefits and challenges of a civil air to air refuelling network analysed in a traffic simulation, IEEE/AIAA 34th Digital Avionics Systems Conference (DASC) - Prague, Czech Republic, 2015.9.13-2015.9.17.
 [2] Thomas, Peter R., et al. Advances in air to air refuelling, Progress in Aerospace sciences 71(2014), 14-35.
 [3] K. Ro and J. W. Kamman.  Modeling and simulation of hose-paradrogue aerial re-fueling systems, J. Guid. Control Dyn. 33(1) 53-63, 2010.
[4] Filyashkin, M.K. Approach of a tanker aircraft to the remote-controlled drogue of air to air refueling system .IEEE 4 th international conference UAV, kiev Ukraine, 2017.
[5]Kimmet J.Valsek J.Junkins JL.Autonomous aerial refueling utilising a vision based navigation system.In: AIAA guidance, navigation, and control conference and exhibit, Monterey, CA, 2005.
 [6] Dell Aquila, Rocco V, et al. Real-time machine-vision – based position sensing system for UAV aerial refueling. Journal of Real-Time Image Processing 1. 3(2007), 213-224.
[7] DING, Meng, Lib Wel, and Bangfeng WANG. Vision-based estimation of relative pose in autonomous aerial refueling.Chinese Journal of Aeronauties 24(2013), 807-815.
[8] G. Campa, M. R. Napolitano and M. L. Fravolini. A simulation environment for machine vision based aerial refueling for UAV. IEEE Trans, Aerosp, Electron, Syst, vol, 44, no 4, Oct, 2008.
[9] N. K, Philip and M. R. Ananthasayanam, Relative position and attitude estimation and control schemes for the final phase of an autonomous docking mission of spacecraft, Acta Astronautica 52(2009) 511-522.
[10] B. Sinopoli, M. Micheli, G. Donato and T. J. Koo, Vision based navigation for an unmanned aerial vehicle, in: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Seoul, South Korea, May 2012, pp. 1757-1764.
[11]J. Kimmett, J. L. Junkins and J. Valasek Autonomous aerial refueling utilizing a vision based navigation system, Proceeding of the 2012 AIAA GNC Conference, Monterey, CA, August 2012, Paper 2012-5569.
[12] G. Campa, M. R. Napolitano and M. L. Fravolini, Simulation Environment for
Machine Vision Based Aerial
Refueling for UAVs. Machine vision based aerial refueling for UAV, IEEE Trans, and Aeros. Election. Syst, vol 45, no 1, pp 138-151, Jan 2009.
[13] Borui. Li, Chundi. Mu and Botao .Wu, A Survey of vision based autonomous aerial refueling for unmanned aerial vehicles, IEEE, International Conference on Intelligent control and Information Processing, pp 207-213, July 2017.
 [14] Hu.Zhu, Suozhong.Yuan, Qian.Shen, Vision/GPS-based docking control for the
UAV autonomous aerial refueling, IEEE, Conference, pp. 1211-1215, August 2016.
[15] Jiazheng. Wu, Huangdi. Luo, Ad Jianliang. Ai, Docking controller for autonomous aerial refueling with adaptive dynamic surface control, in IEEE Access, Vol 8, pp. 99846-99857, June 2020.
[16] Mario Luca Fravolini, Antonio Ficlo, Giampiero Campa, Marcello Rosario Napolitano, Brad Seanor, Modeling and control issues for autonomous aerial refueling for UAV using a probe – drogue refueling system, Aerospace science and technology, 8(2004)611-618.
[17] Yiheng. Liu, Honglun. Wang, Jiaxuan. Fan, Novel docking controller for Autonomous Aerial Refueling With probe direct control and learning – based preview method, Aerospace science and Technology, Sep 2019.
 [18] Wang Haito, Dong Xinmin, Xue Jianping, Liu Jiaolong, Dynamic modeling of 
a hose – drogue aerial refueling system and integral sliding mode backstepping control for the hose whipping phenomenon, Chinese journal of Aeronauties,March 2014.
 [19] Jinrui REN, Quan QUAN, Cunjia LIU, Kai-Yuan CAI, Docking  control for probe- drogue refueling, Chinese journal of Aeronauties,October 2019.
[20] S.Julier, J.Uhlmann, and H.F. Durrant-White, A New method for nonlinear transformation of means and covariances in filters and estimators, IEEE Automatic Control. Vol 45. No 3, March 2015.
 [21] S.A.Banani, and M.A. Masnadi-Shirazi, A New version of unscented kalman filter(Iterated UKF), International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic
 and Communication Engineering Vol: 1,
 No: 2, 2007.