本书系统总结和梳理了软式空中无人加油各个环节面临的基础科学问题，对空中无人加油自主对接涉及的气动干扰、流固耦合机理等进行了分析，对影响自主对接成功率的导航制导与控制技术的难点进行了介绍。同时根据作者课题组近年来的研究成果，重点介绍了编队气动干扰建模、软管-锥套流固耦合数值模拟、锥套主动增稳控制、先进视觉导航、先进对接制导控制以及编队加油任务规划，给出了数值仿真与飞行试验的研究成果。为从事软式空中无人加油方面的研究人员提供了理论研究与工程应用上的指导。对发展更加先进的空中无人加油体系建模与分析手段、更加鲁棒可靠的自主对接控制框架提供有价值的参考。
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本科：国防科学技术大学 空气动力学专业
硕士：西北工业大学 空气动力学专业
博士：西北工业大学 流体力学专业中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所所长
中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所所长
中国空气动力研究与发展中心总工程师
中国空气动力研究与发展中心科技委主任中国空气动力研究与发展中心科技委主任，跨域飞行交叉技术实验室主任，研究员，天府杰出科学家。长期从事飞行器气动布局与模型飞行试验研究，主持构建以气动为核心的飞行器多学科设计优化体系，创建航空航天模型飞行试验技术系统，有力推动了新一代飞行器研发。主持973、科技部重大研发计划等国家/部委级课题10余项，获得部委级科技进步一等奖5项，二等奖9项，三等奖3项国防科技创新特区某主题组组长
XX单位/中山大学联合“未来飞行器创新中心”负责人
XX单位首席专家
《航空学报》专栏特邀执行主编
目录
序
前言
第1章 空中无人加油的研究现状与挑战 1
1.1 空中加油发展概况 1
1.1.1 空中加油历史与现状 1
1.1.2 空中加油的系统组成 3
1.2 空中无人加油发展研究 7
1.2.1 “自主编队飞行”研究计划 8
1.2.2 “自主空中加油验证”项目 9
1.2.3 “自主高空加油”项目 9
1.2.4 UCAS-D无人机 10
1.2.5 MQ-25“黄貂鱼”无人加油机 11
1.2.6 空客“自主编队飞行与空中加油”技术研究 11
1.3 空中无人加油主要技术挑战 13
1.3.1 识别与精确导引技术 14
1.3.2 高精度对接控制技术 16
1.3.3 协同任务规划技术 17
参考文献 18
第2章 空中无人加油流场环境分析与建模 21
2.1 空中无人加油流场分析 21
2.1.1 阵风模型 22
2.1.2 大气紊流模型 23
2.1.3 加油机尾流建模方法 26
2.1.4 受油机头波效应建模 32
2.2 加油机尾流风场建模 37
2.2.1 风场建模坐标系 38
2.2.2 加油机尾流风场建模区域选择 38
2.2.3 加油机尾流风场建模 40
2.3 受油机等效气动力建模 42
2.3.1 加油机尾流场下的受油机等效速度和等效角速度 42
2.3.2 受油机等效气动效应法仿真 44
参考文献 46
第3章 软管-锥套流固耦合数值模拟 48
3.1 软管-锥套结构流固耦合仿真框架 49
3.2 刚柔耦合多体动力学仿真方法 52
3.3 基于动态重叠网格的计算流体力学方法 56
3.3.1 控制方程、离散方法与求解技术 56
3.3.2 基于非结构重叠网格的隐式并行装配方法 56
3.4 软管-锥套的流固耦合分析方法与实例 58
3.4.1 软管-锥套非定常CFD流固耦合仿真方法 58
3.4.2 加油锥套气动建模与流程动态插值方法 59
3.4.3 定常CFD流场动态插值 61
3.4.4 非定常CFD流固耦合仿真 65
3.5 受油机头波效应与甩鞭特性建模仿真 69
3.5.1 头波效应仿真概述 69
3.5.2 受油机接近过程建模 72
3.5.3 受油机对接速度剖面对锥套偏移量的影响 75
3.5.4 受油机初始相对位置对锥套偏移量的影响研究 81
3.5.5 甩鞭现象多体动力学模拟与抑制方法研究 84
3.6 主动增稳锥套技术和仿真实例 88
3.6.1 主动增稳方法及原理 88
3.6.2 软管-主动增稳锥套组合体建模 91
3.6.3 小翼式主动增稳锥套设计及飘摆抑制 94
3.6.4 翼环式主动增稳锥套设计及飘摆抑制 96
3.6.5 动量环式主动增稳锥套设计及飘摆抑制 99
参考文献 105
第4章 基于多焦复眼视觉的相对位姿估计 107
4.1 多焦复眼视觉模型 107
4.1.1 多焦复眼视觉成像原理 107
4.1.2 多焦复眼视觉系统的标定方法 109
4.1.3 多焦复眼视觉信息的获取与处理 114
4.2 基于多焦复眼的相对位姿估计 115
4.2.1 问题描述 115
4.2.2 自适应位姿估计 116
4.2.3 遮挡情况下的自适应位姿估计 126
参考文献 129
第5章 抗强光视觉导航技术 130
5.1 基于传统视图几何的加油锥套识别 131
5.1.1 图像预处理与特征点提取 131
5.1.2 抗强光处理 136
5.1.3 锥套位姿解算 139
5.2 基于机器学习的加油锥套识别 140
5.2.1 基于YOLOV4的锥套智能识别 141
5.2.2 损失函数 148
5.2.3 目标的中心像素坐标 149
5.3 多目相机的识别结果融合 149
5.3.1 坐标系转换 150
5.3.2 多相机时间戳对齐 151
5.3.3 红外相机融合策略 151
5.3.4 可见光相机融合策略 152
5.3.5 卡尔曼滤波 153
5.4 试验验证与结果分析 155
5.4.1 试验准备 155
5.4.2 试验结果 156
5.4.3 试验结果分析 156
参考文献 158
第6章 软式空中无人加油对接制导与控制技术 159
6.1 对接运动动力学模型 160
6.1.1 坐标系定义 160
6.1.2 受油机运动动力学方程 161
6.1.3 相对位置定义 164
6.2 受油机对接制导系统设计 166
6.2.1 基于总能量法的纵向制导律设计 166
6.2.2 基于L1制导的横侧向制导律设计 168
6.3 受油机对接控制系统设计 170
6.3.1 鲁棒伺服控制原理 171
6.3.2 纵向姿态控制律设计 173
6.3.3 横侧向姿态控制律设计 173
6.4 受油机先进对接控制方法 174
6.4.1 基于干扰观测器的主动抗扰控制 174
6.4.2 基于模型预测控制的对接轨迹规划控制一体化 177
6.4.3 纵向航迹直接力控制 183
6.5 考虑头波效应的迭代学习对接控制方法 189
6.5.1 头波干扰对空中加油的影响 189
6.5.2 受油机线性化LQR控制系统设计 191
6.5.3 间接迭代学习控制系统设计 192
6.6 空中无人加油自主对接演示飞行试验 197
6.6.1 试验总体方案 197
6.6.2 飞行试验结果分析 199
参考文献 210
第7章 多机编队加油任务规划与控制 212
7.1 多机编队加油任务规划方法 212
7.1.1 任务规划方法概述 212
7.1.2 多机编队加油任务规划方法 215
7.1.3 多机加油智能会合路径规划方法 224
7.2 多机编队加油航迹规划 231
7.2.1 多机编队加油的航迹规划方法 231
7.2.2 基于改进人工势场法的编队航迹规划 234
7.3 多机编队加油任务飞行控制 236
7.3.1 多机编队飞行控制方法 236
7.3.2 基于虚拟结构法的多机编队加油控制方法 237
7.4 多机编队加油仿真案例 241
7.4.1 多机编队加油任务规划仿真 241
7.4.2 有障碍的多机加油场景仿真 245
参考文献 264
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