《舰载机甲板调运规划与控制方法》主要对舰载机甲板自动调运规划与控制的关键技术进行了阐述,包括舰载机滑行、无杆牵引系统、有杆牵引系统的单机调运路径规划与控制问题,路径跟踪控制问题,多同构体和多异构体的协同路径规划问题和舰载机调运出动任务规划问题四个方面。旨在为舰载机调运自动化的实现夯实基础,从而为保障舰载机调运安全,提高舰载机调运效率以及出动效率提供技术支撑,并为后续舰载装备的发展提供理论依据。
《舰载机甲板调运规划与控制方法》可作为理工科高等院校自动控制专业或航空宇航及其相关专业研究生的教材,也可作为从事航母与舰载机领域研究人员和工程技术人员的参考书。
舰载机是航母编队海上作战的重要武器,随着航母可携带舰载机数量的增加,舰载机的出动效率成为影响航母战斗力的重要因素。为了提高舰载机的出动效率,除了保障能力等因素之外,还需要科学、高效地进行舰载机调运规划。与陆基飞机作业不同,航母甲板空间狭小,因此其调运以及出动较陆基飞机会更加复杂。同时,由于航母携带的装备种类杂、数量多,在狭小的甲板空间上,需要执行大量的起降、保障、调运等作业,在航母甲板上进行调运以及出动作业所面临的安全风险更高。不仅如此,随着无人机技术的发展,无人机上舰也成为必然趋势,而无人机通常是采取自动滑行的方式,因此它对在甲板上调运的自动化程度又提出了更高的要求。
在此背景下,本书基于海军航空大学韩维教授团队多年在舰载机领域的研究与积累,主要对舰载机甲板自动调运规划与控制的关键技术进行了阐述,根据当前舰载机自动调运规划与控制的相关研究基础以及不足,主要对舰载机调运路径规划及其控制问题和舰载机调运出动任务规划问题这两大核心问题进行研究。
本书第1章主要从整个舰面保障流程的角度出发,对舰载机调运的过程进行了简述。第2章主要对舰载机舰面调运路径规划与控制技术以及其他领域的相关技术进行了归纳。第3章主要对舰载机舰面调运路径规划与控制方法基础理论进行了介绍。第4章主要针对舰载机滑行、无杆牵引系统、有杆牵引系统的调运运动学进行了系统建模,通过优化调运时间以及控制的平稳性,并考虑飞机在调运过程中的各种硬性约束,得到符合实际运动约束关系的路径规划模型。基于此,第5章提出了一种基于牛顿迭代的保辛伪谱算法,并基于该算法分别对3种调运方式的单机调运路径规划进行了研究。为了使所得出的舰载机调运路径可应用于实际调运问题中,第6章考虑偏差以及外界扰动等因素,结合舰载机调运的各种约束条件,对第5章在理想情况下规划出的调运路径进行跟踪,并设计鲁棒性较强的跟踪控制方法,得出在扰动环境下的实际控制律,使舰载机在实际调运过程中仍可以按照所规划的路径进行调运。此外,由于多架舰载机常常需要同时进行调运作业,为此第7章分别对多同构体的协同路径规划和多异构体的协同路径规划这两大类问题进行了研究。而在舰载机出动过程中,调运的路径规划只是其中一个重要环节,且它与舰载机的布列、出动时序息息相关,为此在对舰载机调运的路径规划及其控制问题研究的基础上,第8章把舰载机的布列、调运、出动这三个作业环节统筹考虑,建立舰载机调运出动任务规划一体化模型,并设计相应的求解方法,以根据任务需求自动地制定出科学、合理、高效的舰载机调运以及出动方案。
在本书撰写过程中,海军航空大学李正阳、李樾、吴立尧、崔凯凯、万兵、梁洪瑜、郭放、崔荣伟、陶俊权进行了大量的校稿工作,陆军航空兵研究所徐卫国进行了专业的指导,在此由衷地表示感谢。同时,感谢大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室彭海军副教授、王昕炜博士在辛理论在舰载机路径规划应用方面的帮助与支持。由于时间仓促,加上笔者水平有限,不当之处在所难免,敬请各位读者批评指正。
希望我们的工作与研究能够对航母与舰载机领域的研究人员或者爱好者有所帮助,为我国的航母事业做出贡献。最后,祝愿我们伟大的祖国繁荣昌盛,祝愿我们伟大的航母事业蒸蒸日上。
第1章 舰载机舰面调运概述
1.1 舰载机调运系统的组成及重要性
1.1.1 调度模型台
1.1.2 飞机升降机
1.1.3 机库大门
1.1.4 飞机牵引车
1.1.5 舰载机系留设施
1.1.6 飞机调向转盘
1.2 舰载机舰面调运程序简介
1.2.1 升降机作业
1.2.2 弹射中的调运作业
1.2.3 舰载机停放
第2章 舰载机舰面调运路径规划与控制研究进展
2.1 单架舰载机调运的路径规划
2.2 舰载机路径跟踪控制
2.3 多机在甲板上的协同路径规划研究现状
2.4 飞机舰面调运出动任务规划研究现状
第3章 舰载机舰面调运路径规划与控制方法基础理论
3.1 非线性最优控制理论
3.1.1 无约束非线性最优控制问题
3.1.2 含不等式约束的非线性最优控制问题
3.1.3 最优控制问题的汉密尔顿数学结构
3.2 辛数学基础
3.2.1 汉密尔顿动力学系统及保辛概念
3.2.2 作用量及最小作用量原理
3.2.3 生成函数
3.3 伪谱方法
3.3.1 拉格朗日插值与函数逼近
3.3.2 基于Legendre函数的高斯积分
3.3.3 Legendre伪谱近似
3.3.4 微分矩阵
3.3.5 求解最优控制问题的Legendre伪谱方法
3.4 Dubins路径方法
3.5 RVO方法
第4章 舰载机调运的运动学模型及路径规划模型
4.1 舰载机调运动力学模型和运动学模型简述
4.2 舰载机滑行运动学模型
4.3 无杆牵引系统的运动学模型
4.4 有杆牵引系统的运动学模型
4.5 基于最优控制方法的路径规划模型
4.5.1 障碍物约束模型
4.5.2 舰载机滑行的路径规划模型
4.5.3 无杆牵引系统的路径规划模型
4.5.4 有杆牵引系统的路径规划模型
4.6 本章小结
第5章 基于牛顿迭代保辛伪谱算法的单机调运路径规划研究
5.1 牛顿迭代保辛伪谱算法
5.1.1 预处理
5.1.2 采用LGL伪谱法对4个自变量进行近似化处理
5.1.3 单个区间内采用第三类生成函数
5.1.4 矩阵组装及求解
5.1.5 基于牛顿迭代法的最优时间一能量的确定
5.1.6 算法流程
5.2 复杂环境下的算法验证
5.3 单架舰载机滑行路径规划
5.3.1 实验环境及参数
5.3.2 实验结果与分析
5.4 无杆牵引系统的路径规划
5.4.1 实验环境及参数
5.4.2 实验结果与分析
5.5 有杆牵引系统的路径规划
5.5.1 实验环境及参数
5.5.2 实验结果与分析
5.6 本章小结
……
第6章 基于滚动时域的舰载机调运路径跟踪控制研究
第7章 多架舰载机调运的协同路径规划研究
第8章 基于FFSP的飞机舰面调运出动任务规划一体化设计
参考文献