基于Dubins路径的无人机空中加油最短时间会合方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无人机空中加油会合方法，具体讲是一种基于Dubins路径的无人机 空中加油最短时间会合方法，属于飞行器飞行控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 空中加油技术主要分为软管式加油技术和硬管式加油技术。软管式空中加油设 备亦称软管-锥套加油系统，是英国航空公司在继承前人工作的基础上最早制造出来的。 采用此种方法进行空中加油，只需要在机头或机翼前缘装一根固定的或可伸缩的受油管即 可。而加油设备是有一条20~30m长的软管和一个漏斗式锥套所组成的。整个空中加油 过程可以划分为四个主要阶段：即会合、对接、加油和分离。其中会合阶段的主要任务为： 借助会合制导与控制系统，控制无人机到达一定的加油空域，并要求无人机的最终速度和 航向和加油机的速度和和航向一致。空中加油无人机与加油机的会合是一个三维空间内的 飞机制导与控制的问题。会合作为空中加油的第一阶段，是安全顺利完成空中加油任务的 基础。
[0003] 空中加油会合阶段，无人机接收指令之后，按一定航路从其它空域往加油指定空 域飞行。为实现这一目标，需要根据无人机与加油机不同初始位置条件下的会合航路进行 研究，设计制导律导引无人机飞行目标空域，设计无人机的飞行控制系统精确跟踪制导指 令。当遇到突发情况，要求无人机在最短时间内与加油机会合的情况下，需要设计相应的航 路优化方案，以保证及时会合。由于很难建立精确的无人机模型，因此需要提高无人机控制 系统的抗干扰能力、动态性能和鲁棒性能，保证闭环系统性能和满足稳定性的要求。现有技 术中，无人机和加油机在难以保证在最短时间内进行会合，无法进行正常的油料供给，影响 无人机执行任务和飞行安全。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种基于Dubins路径 的无人机空中加油最短时间会合方法，以实现无人机的油料快速供给。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供的基于Dubins路径的无人机空中加油最短 时间会合方法，包含以下步骤：
[0006] 步骤1)，无人机获得加油机的位置和速度信息，并将加油机固定直线航路上的某 一点设为与加油机的预计会合点（x REN, yREN)，在地面坐标系下加油机到达该点耗时Ττ;
[0007] 步骤2)，无人机通过Dubins路径计算模块计算出一条从无人机相对位置（xR, yR) 到与加油机的预计会合点（xREN, yREN)的最短路径PathD，进而得到无人机到达所述预计会合 点所要消耗的时间T r;
[0008] 步骤3)，若Tr= T τ，则直接输出Dubins路径导航点后，执行步骤4);若TR# T τ时， 根据时间差△ t = Tr-Tt更新无人机的预计会合耗时T = T R± △ t，在加油机固定航路上更 新预计会合点（xREN, yREN)，且加油机到该点的耗时Tt= T，重复步骤2)重新得到无人机到达 加油机更新后的预计会合点（XREN, yREN)所要消耗的时间Tr，直至Tr= Tt后输出Dubins路 径导航点；
[0009] 步骤4)，无人机跟踪Dubins路径导航点直到无人机到达会合点后与加油机会合。
[0010] 本发明中，上述步骤1)中在地面坐标系下加油机到达预计会合点的耗时：
[0012] 式中，（xREN，yREN)为预计会合点，（x T，yT)为加油机相对位置，Vt为加油机飞行速度。
[0013] 本发明中，上述步骤2)的具体过程如下：
[0014] 步骤21)，根据加油机和无人机相对位置坐标、航向角和飞行速度，预计会合点 (Xb ，无人机最小转弯半径限制Rmin，计算得出与无人机飞行速度V[!在无人机相对位 置（xR，y R)相切的左圆右圆和与加油机飞行速度Vt在预计会合点（xREN, yREN)相切的左圆右 圆的组合，选择组合中圆心距最小的一组作为Dubins的组成圆弧；
[0015] 步骤22)，根据圆弧组合计算出一条以无人机相对位置（xR，yR)为起点、以预计会 合点（x REN，yREN)为终点的Dubins路径作为最短路径PathD;所述路径长度L为起始圆弧、终 止圆弧和两圆弧间公切线的长度之和；
[0016] 步骤23)，用路径长度L除以无人机飞行速度％得到到达预计会合点的耗时为T R。
[0017] 本发明中，上述步骤 3)的中 xREN= X t+VtTtcos X T、yREN= y T+VTTTsin X τ。
[0018] 本发明的有益效果在于：通过在加油机的固定航路上选取预计会合点，根据无人 机的初始位置计算无人机到达会合点的Dubins最短路径，比较加油机和无人机到达预计 会合点的时间长短，然后更新会合点直到满足时间相等的条件，即找到一条Dubins最短路 径到达预计会合点，并给出导航航路点，减少了空中加油会合过程中的时间消耗，有助于无 人机在需要补充燃料的紧急情况下快速完成会合加油，以便继续执行任务，确保了无人机 的飞行安全。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明基于Dubins路径的无人机空中加油最短时间会合方法流程图；
[0020] 图2是本发明中Dubins路径的计算示意图；
[0021] 图3是无人机的制导与控制系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0023] 如图1所示，本发明基于Dubins路径的无人机空中加油最短时间会合方法，其主 要针对安装有惯性导航单元获取速度位置信息并且可通信的加油机和无人机之间加油过 程中的会合，具体包括以下步骤：
[0024] 步骤1、无人机接收空中加油任务指令后，进入会合跟踪模式，加油机维持固定航 路飞行等待与无人机会合；
[0025] 步骤2、加油机与无人机的建立通信连接，通过机载设备获得自身的位置和速度信 息并发送给无人机；
[0026] 步骤3、无人机接收模块获得加油机的位置和速度信息，以加油机固定直线航路上 的某一点设置为预计会合点（xREN, yREN)，加油机到达该点耗时Ττ:
[0028] 式中，（xREN, yREN)为预计会合点，（xT, yT)为加油机相对位置，Vt为加油机飞行速 度；
[0029] 步骤4、如图2所示，飞行过程中，初始时刻加油机在惯性空间下的平面内相对位 置为（Χτ,Υτ)，加油机初始航向角为 χτ，并按固定航路勾速直线定高飞行。初始时刻无人机 在惯性空间下的平面内相对位置为（xR，y R)，无人机初始航向角为Xr，最小转弯半径限制为 R_。加油机以固定的或者可预测的航路如直线航路匀速平飞，经过一段时间Tt加油机飞至 其预期轨迹上的某一位置（x T, yT)TT，即预计会合点（xREN, yREN)，加油机航向角为Xτ，据此计 算得出与无人机飞行速度Vr在无人机相对位置（x R，yR)相切的左圆右圆和与加油机飞行速 度Vt在预计会合点（x RE