機(jī)電一體化專業(yè)的論文
機(jī)電一體化專業(yè)的畢業(yè)論文【一】
摘要：針對(duì)職專生知識(shí)程度參差不齊，理論基礎(chǔ)水平較薄弱的特點(diǎn)，面對(duì)復(fù)雜且枯燥的理論推導(dǎo)以及難記的式子，學(xué)生往往缺乏學(xué)習(xí)熱情。所以，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)采用重實(shí)踐、輕理論策略，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，通過(guò)實(shí)踐掌握理論，在實(shí)踐中鞏固理論，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，從而達(dá)到較好掌握知識(shí)的目的。
關(guān)鍵詞：職專機(jī)械;觀察力;觀念轉(zhuǎn)變
學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械專業(yè)理論課程時(shí).因缺乏對(duì)機(jī)械的感性認(rèn)識(shí)感到困難重重，容易喪失學(xué)習(xí)動(dòng)力。對(duì)此，教師應(yīng)變繁瑣、抽象的理論為生動(dòng)實(shí)例，從多方面調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.從而提高教學(xué)實(shí)效。
一、課中設(shè)疑，辯析中獲得知識(shí)
每節(jié)課的教學(xué)，要在創(chuàng)設(shè)懸念中進(jìn)行，要制造良好的心理態(tài)勢(shì)和思維環(huán)境，誘發(fā)學(xué)生的好奇心，滿足他們對(duì)知識(shí)的關(guān)切和渴求的內(nèi)心需求。我們知道。思維從疑問(wèn)中來(lái).學(xué)習(xí)中有疑問(wèn)，才會(huì)有求知欲。教師應(yīng)在教學(xué)中適時(shí)設(shè)置一些有關(guān)的懸念，進(jìn)行課堂設(shè)疑，創(chuàng)設(shè)課堂疑問(wèn)情境。使學(xué)生在辯析中獲得知識(shí)，爭(zhēng)論中得以提高，商討中增強(qiáng)能力。例如。現(xiàn)在的學(xué)生基本上都會(huì)騎自行車，講解棘輪單向超越離合器的結(jié)構(gòu)和原理時(shí)，筆者根據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)設(shè)置了這樣的問(wèn)題：人騎自行車時(shí)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)踏板，能否使自行車倒退行駛?讓學(xué)生思考、討論這一現(xiàn)象.通過(guò)學(xué)生常見(jiàn)但從沒(méi)有深入想過(guò)的現(xiàn)象，把學(xué)生吸引到探求結(jié)果的興趣中來(lái)。
二、促進(jìn)教師教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變
在新課程實(shí)施中.教師的觀念發(fā)生了變化.由傳統(tǒng)的“領(lǐng)導(dǎo)者”、“權(quán)威”、“知識(shí)擁有者”向課堂教學(xué)的“參與者”學(xué)生學(xué)習(xí)的“首席助手”轉(zhuǎn)變。教學(xué)內(nèi)容是開(kāi)放的。教師可以根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)和教學(xué)的實(shí)際情況靈活地組織教學(xué)內(nèi)容.教學(xué)組織靈活多變，通過(guò)班級(jí)授課，小組合作與個(gè)別輔導(dǎo)的參差互用，結(jié)合使用，充分發(fā)揮教學(xué)組織形式應(yīng)有的教學(xué)效能。為學(xué)生的個(gè)體活動(dòng)提供更廣闊、更充裕的條件，教學(xué)管里更大民主，教學(xué)手段更加多樣化，教學(xué)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向多元化。
三、指導(dǎo)與觀察結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的觀察力
《機(jī)械基礎(chǔ)》所講授的知識(shí)在日常生活、生產(chǎn)中都有廣泛的應(yīng)用。在講授每個(gè)章節(jié)內(nèi)容前�？山M織學(xué)生觀察已有的各種機(jī)械設(shè)備。例如，學(xué)校內(nèi)的車床、銑床、刨床、磨床�；騾⒂^機(jī)械廠的機(jī)器、紡織廠的機(jī)修車間等，觀察各種機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和各種機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程。參觀前根據(jù)所學(xué)內(nèi)容、機(jī)械設(shè)備、機(jī)構(gòu)特點(diǎn)做好指導(dǎo)工作.讓學(xué)生帶著問(wèn)題參觀，帶著目的觀察.以明確參觀目的，提高學(xué)習(xí)效率。又如，講授平面四桿機(jī)構(gòu)時(shí).可以組織學(xué)生參觀牛頭刨床。觀察牛頭刨床滑枕的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式.得出牛頭刨床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)是以曲柄為主動(dòng)件的曲柄搖桿機(jī)構(gòu).而牛頭刨床中滑枕的往復(fù)移動(dòng)是通過(guò)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的.且運(yùn)動(dòng)具有急回特性;在講授機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置時(shí) 可以安排學(xué)生觀察縫紉機(jī)的踏板機(jī)構(gòu)，得出該機(jī)構(gòu)是以搖桿為主動(dòng)件的曲柄搖桿機(jī)構(gòu).同時(shí)通過(guò)讓學(xué)生參與操作.讓學(xué)生對(duì)死點(diǎn)位置產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)。
四、在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)重實(shí)踐、輕理論;抓基礎(chǔ)、促提高
針對(duì)職專生知識(shí)程度參差不齊.理論基礎(chǔ)水平較薄弱的特點(diǎn)，面對(duì)復(fù)雜且枯燥的理論推導(dǎo)以及難記的式子.學(xué)生往往缺乏學(xué)習(xí)熱情。所以。在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)采用重實(shí)踐、輕理論策略，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。通過(guò)實(shí)踐掌握理論，在實(shí)踐中鞏固理論.用理論指導(dǎo)實(shí)踐.從而達(dá)到較好掌握知識(shí)的目的。如在《機(jī)械基礎(chǔ)》教學(xué)中，其主要目的是使學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握機(jī)械器件的特性、使用、測(cè)試方法以及工作原理等。但是，一般學(xué)校由于經(jīng)費(fèi)不足等種種原因.實(shí)驗(yàn)室設(shè)備簡(jiǎn)陋老舊，損壞嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)條件差。提不起學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣.往往應(yīng)付了事，做過(guò)后就忘了。這樣辛辛苦苦準(zhǔn)備半天的實(shí)驗(yàn)卻收不到應(yīng)有的效果。若能把一些實(shí)際單元電路小制作搬到課堂上，在單元電路中針對(duì)性地把教材需要掌握的知識(shí)融合起來(lái)，就會(huì)使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中掌握要學(xué)的知識(shí)。
五、教學(xué)方法的改革
隨著教育觀念的更新，不斷探討新的教學(xué)方法和模式，是保障教學(xué)模式改革成功的重要重要條件。職業(yè)中專的教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該放在對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)上，以實(shí)踐為先導(dǎo).逐步培養(yǎng)學(xué)生不斷探究學(xué)習(xí)的精神。
1.加強(qiáng)先進(jìn)教學(xué)手段的運(yùn)用，進(jìn)一步提升現(xiàn)代化教學(xué)水平。
隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展.工業(yè)界已在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域廣泛地使用虛擬、仿真等技術(shù)。職業(yè)中專的教學(xué)應(yīng)努力開(kāi)發(fā)實(shí)踐教學(xué)CAI，并引進(jìn)先進(jìn)的繪圖和模擬仿真軟件.提高基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的科技含量。同時(shí)通過(guò)虛擬仿真、局域網(wǎng)互動(dòng)教學(xué)等先進(jìn)的教學(xué)方法.使學(xué)生感受先進(jìn)的教學(xué)思想和方法 讓學(xué)生在現(xiàn)代化教學(xué)環(huán)境中學(xué)到更多的新知識(shí)、新技術(shù)。
2.不斷跟蹤行業(yè)新技術(shù)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)教學(xué)環(huán)境的滲透。
職業(yè)教育的特點(diǎn)是要求學(xué)生在校期間就能完成就業(yè)崗位能力訓(xùn)練.盡量縮短上崗適應(yīng)期。在教學(xué)中要注意模擬工廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境.建立穩(wěn)定的校外實(shí)習(xí)基地，促使學(xué)生不斷學(xué)習(xí)新的技術(shù)。培養(yǎng)扎實(shí)的基礎(chǔ)技能，使學(xué)生能迅速適應(yīng)以后遇到的工廠真實(shí)環(huán)境(包括設(shè)備、工藝、技術(shù)、生產(chǎn)組織管理形式等)。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練.使學(xué)生技術(shù)新、適應(yīng)期短、上手快，才能深受用人單位歡迎。
3. 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)。
系統(tǒng)的、相對(duì)獨(dú)立的實(shí)踐教學(xué)和考核體系要依賴于先進(jìn)、完善的校內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)施來(lái)實(shí)施。職業(yè)中專要十分重視校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地建設(shè).并以“有特色、先進(jìn)而完善”作為實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。
基于深度信息的自主空中加油相對(duì)位姿控制技術(shù)研究【二】
第 1 章 緒 論
由于無(wú)人機(jī)的廣泛使用，從根本上消除了飛行員疲勞耐受時(shí)間對(duì)執(zhí)行飛行任務(wù)的制約和影響，繼而燃油的消耗成為了影響無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)間的主要因素[1]。因此，無(wú)人機(jī)自主空中加油(Autonomous Aerial Refueling ，AAR)技術(shù)成為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程戰(zhàn)略任務(wù)的核心技術(shù)之一。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)等部門相繼開(kāi)展了此類研究，并于近日完成了兩架改進(jìn)型 RQ-4“全球鷹”無(wú)人機(jī)的近距編隊(duì)飛行測(cè)試工作，對(duì)該型無(wú)人機(jī)的空中自主互助加油技術(shù)進(jìn)行了成功驗(yàn)證，使其續(xù)航時(shí)間從之前的 41 個(gè)小時(shí)延長(zhǎng)至160 個(gè)小時(shí)以上，美國(guó)率先實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的空中加油，不僅在技術(shù)上是一項(xiàng)里程碑式的突破，在戰(zhàn)略上也極具意義[2]。
自主空中加油技術(shù)又由高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的位姿估算、飛行控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)組成[3]。根據(jù)我國(guó)無(wú)人機(jī)自主空中加油技術(shù)研究發(fā)展的現(xiàn)狀，本課題結(jié)合國(guó)家 863 高技術(shù)研究發(fā)展項(xiàng)目子項(xiàng)目“重載荷智能化物探專用無(wú)人直升機(jī)研制”(2013AA063903)，以為無(wú)人機(jī)自主空中加油技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，同時(shí)也是首要任務(wù)的加油機(jī)和受油機(jī)相對(duì)位姿控制為主要研究目標(biāo)，對(duì)基于深度信息的位姿估算的可行性，數(shù)據(jù)處理方法手段、誤差分析和實(shí)物仿真模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證等問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)自主空中加油中受油機(jī)區(qū)別與正常飛行狀態(tài)下的個(gè)性飛行控制問(wèn)題進(jìn)行研究，即如何規(guī)劃相對(duì)位姿控制的飛行路線以確保相對(duì)位姿估算的魯棒性，如何控制受油機(jī)在各種干擾條件下按規(guī)劃路線飛行，通過(guò)對(duì)受油機(jī)的控制來(lái)保證相對(duì)位姿估算的準(zhǔn)確性與魯棒性，同時(shí)力圖將有人機(jī)飛行員空中加油的綜合判斷與控制策略引入到相對(duì)位姿控制閉環(huán)中，將有人機(jī)飛行員經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)與無(wú)人機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)有機(jī)地結(jié)合在一起。
1.1 研究背景及意義
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的爆炸式發(fā)展[4]，由此世界各國(guó)紛紛意識(shí)到無(wú)人機(jī)在未來(lái)的廣闊應(yīng)用空間。美國(guó)軍方率先提出到 2040 年所有軍機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛操控。由此無(wú)人機(jī)自主空中加油技術(shù)可大幅提高無(wú)人機(jī)的滯空時(shí)間，對(duì)提高無(wú)人機(jī)的使用性能居有重大的現(xiàn)實(shí)意義。我國(guó)在 1992 年完成了首次有人操縱飛機(jī)空中加油對(duì)接，成為第 5 個(gè)獨(dú)立掌握空中加油技術(shù)的國(guó)家，并于 2005 年首次成功實(shí)施多噸量有人操縱飛機(jī)空中加油，目前我國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)自主空中加油技術(shù)的理論研究正處于有計(jì)劃的發(fā)展階段[5]。盡管在近十年的時(shí)間內(nèi)，對(duì)無(wú)人機(jī)自主空中加油的關(guān)鍵性問(wèn)題——加受油機(jī)相對(duì)位姿估計(jì)研究已有了相當(dāng)?shù)难芯砍晒途唧w的應(yīng)用，但大都或多或少的存在一些缺陷與不足，主要包括過(guò)度依賴 GPS 信息，平面視覺(jué)傳感器容易受到天氣等外界因素影響等問(wèn)題。而基于深度信息三維快速成像(Flash LIDAR)技術(shù)的出現(xiàn)恰恰可以減少和消除上述問(wèn)題，為無(wú)人機(jī)自主空中加油中的位姿估算與控制提供非相似余度的可靠數(shù)據(jù)源。同時(shí)國(guó)內(nèi)外對(duì)基于ToF 技術(shù)的三維快速成像技術(shù)在空間領(lǐng)域的應(yīng)用研究基本上也處于正在進(jìn)行時(shí)，要最終形成成熟的應(yīng)用技術(shù)，還可能需要更具針對(duì)性的創(chuàng)新性的研究，如針對(duì)加油機(jī)模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)算法和如何確保相對(duì)位姿估算穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性的研究。在我國(guó)迫切需要長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的背景下，啟動(dòng)一些無(wú)人機(jī)自主空中加油關(guān)鍵支撐技術(shù)的研究是非常必要的。
1.2 自主空中加油的研究現(xiàn)狀
1.2.1 空中加油的典型方式
無(wú)人機(jī)自動(dòng)空中加油技術(shù)是基于傳統(tǒng)的有人駕駛飛機(jī)空中加油技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。有人駕駛飛機(jī)空中加油技術(shù)有 2 種實(shí)現(xiàn)方式：軟管式和硬管式加油[6]。
(1)軟管式加油(Probe and Drogue Refueling)
軟管式加油根據(jù)英文翻譯又稱作插頭-錐套式加油。在此種加油過(guò)程中，對(duì)接控制主要由受油機(jī)完成，當(dāng)受油機(jī)上的插頭插入加油機(jī)軟管上的錐套后，錐套上的機(jī)械自鎖裝置可將插頭鎖緊以確保加受油機(jī)的可靠對(duì)接。如圖 1.1(a)所示，一架 F/A-18 受油機(jī)正在通過(guò)機(jī)身上伸出的受油插頭與 KC-10 加油機(jī)伸出軟管上的錐套相對(duì)接，來(lái)完成空中加油。圖 1.1(b)顯示的是插頭和錐套的近景圖[7-9]。中國(guó)空軍、美國(guó)海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)等均采用的是該種加油方式。
(2)硬管式加油(Flying Boom Refueling)
硬管式加油根據(jù)英文翻譯又稱作飛桁式加油，在此種加油過(guò)程中，受油機(jī)要完成的主要任務(wù)是在加油機(jī)尾部保持編隊(duì)飛行，而加油機(jī)上的加油操作員操作飛桁插入受油機(jī)背部的受油口內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)空中加油。如圖 1.2(a)所示，一架 F22 受油機(jī)正在與 KC-135 加油機(jī)伸出的飛桁相對(duì)接，來(lái)完成空中加油。圖 1.2(b)顯示的是 F22 機(jī)背的受油口和飛桁的近景圖[7-10]。美國(guó)空軍采用的是該種加油方式。
1.2.2 自主空中加油的發(fā)展概況
隨著無(wú)人機(jī)遂行任務(wù)的多樣化，無(wú)人機(jī)自主空中加油技術(shù)受到了越來(lái)越多的重視，相關(guān)的研究也隨即展開(kāi)，目前自主空中加油仍然處于理論研究和試飛驗(yàn)證相迭代的過(guò)程，與自主加油的飛行控制等問(wèn)題相比，其中的核心難點(diǎn)問(wèn)題仍然是提高加受油相對(duì)位姿估算的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。這是由于空中加油的飛行控制可將成熟飛行員的空中加油的操作經(jīng)驗(yàn)等知識(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)描述出來(lái)，而相對(duì)位姿估算首先要尋找到可以代替人眼的可靠數(shù)據(jù)源，其次要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的權(quán)重分配，連續(xù)可靠的運(yùn)算處理、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別等動(dòng)態(tài)權(quán)衡博弈工作，這些恰恰都是計(jì)算機(jī)所不擅長(zhǎng)的。綜上所述，由于相對(duì)位姿控制是一個(gè)連續(xù)的估算—決策—控制的閉環(huán)，控制是為估算提供更有利穩(wěn)定的條件，而估算是下一步控制的基礎(chǔ)，因此相對(duì)位姿估算與控制二者相輔相成缺一不可。
邊界合理分配控制權(quán)限，將控制信息傳遞給飛控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自主空中加油。在無(wú)人機(jī)自主空中加油的過(guò)程中，加油機(jī)和受油機(jī)(即無(wú)人機(jī))之間的相對(duì)位姿估計(jì)是否精確是決定空中加油成敗的關(guān)鍵性因素。
為此，在系統(tǒng)中增加了一種非相似余度三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)——Flash LIDAR 來(lái)測(cè)量二者相對(duì)距離和姿態(tài)。Flash LIDAR 輸出的 3D 點(diǎn)云形式的深度信息經(jīng)圖像處理后，可通過(guò)卡爾曼濾波等多傳感器信息融合算法來(lái)提高 AAR 系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)性。由于篇幅限制本文就只對(duì) Flash LIDAR 系統(tǒng)的測(cè)量、信號(hào)處理、方位估計(jì)和控制等問(wèn)題進(jìn)行研究。
2.2 相對(duì)位姿估算問(wèn)題描述
2.2.1 自主空中加油過(guò)程描述
研究自主空中加油相對(duì)位姿估算問(wèn)題首先要對(duì)加受油機(jī)空中加油時(shí)的飛行過(guò)程進(jìn)行分解細(xì)化，有針對(duì)性的研究相對(duì)位姿估算在不同的自主空中加油飛行階段的側(cè)重點(diǎn)。目前兩種典型的空中加油方式分別是軟管式和硬管式空中加油。歸納總結(jié)兩種加油方式在空中加油飛行過(guò)程中的特點(diǎn)，如表 2.1 所示。
由表 2.1 可知軟管式和硬管式空中加油的共同點(diǎn)在于均要經(jīng)歷編隊(duì)飛行加油機(jī)接近受油機(jī)的過(guò)程，因此必須首先對(duì)二者編隊(duì)飛行的情況進(jìn)行研究，以確定合理的加油機(jī)圖像特征提取方案，在確保位姿估計(jì)準(zhǔn)確性的前提下提高信號(hào)處理效率。圖 2.2 為空中加油編隊(duì)示意圖。加油機(jī)與受油機(jī)置于笛卡爾坐標(biāo)系中，其原點(diǎn) O 為受油機(jī)上深度信息傳感器的安裝位置。
在自主空中加油的會(huì)合階段受油機(jī)從任務(wù)空域轉(zhuǎn)向加油空域，如圖 2.2 所示，在兩倍預(yù)接觸(Twice pre-contact)位置加油機(jī)應(yīng)捕捉到受油機(jī)的方位和航向，并根據(jù)加油機(jī)的位姿變化逐漸接近受油機(jī)到達(dá)預(yù)接觸(pre-contact)位置。預(yù)接觸位置處于加油機(jī)的后下方，在此位置受油機(jī)與加油機(jī)之間通常具有大約 50 英尺水平和 10 英尺垂直的安全距離。作為自主空中加油起點(diǎn)的兩倍預(yù)接觸位置的信息可由地面站傳送給受油機(jī)，也可以通過(guò)加受油機(jī)之間的數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)傳輸。對(duì)接階段是受油機(jī)從預(yù)接觸位置逐漸接近加油機(jī)至接觸位置的過(guò)程，如圖 2.2 所示，并且在接觸位置與加油機(jī)之間保持穩(wěn)定的編隊(duì)飛行狀態(tài)。
根據(jù)空中加油編隊(duì)飛行四個(gè)階段的任務(wù)要求可知相對(duì)位姿估算不但要完成在會(huì)合階段、對(duì)接階段和加油階段加受油機(jī)之間的相對(duì)導(dǎo)航的任務(wù)，而且還要在高動(dòng)態(tài)條件下預(yù)測(cè)加受油機(jī)之間相對(duì)位姿的變化率以確保加受油機(jī)編隊(duì)飛行的安全。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的相對(duì)位姿估算，因此要將飛行員在實(shí)際空中加油過(guò)程中眼腦的計(jì)算判斷加受油機(jī)之間相對(duì)位姿變化的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理算法。因此歸納總結(jié)在空中加油不同階段相對(duì)位姿估算任務(wù)如下列要求，如表 2.2 所示。
由表 2.2 可知，加受油機(jī)相對(duì)位姿估算在會(huì)合、對(duì)接和加油階段具體任務(wù)各有不同，在會(huì)合階段其主要任務(wù)是使加油機(jī)快速跟蹤并對(duì)準(zhǔn)加油機(jī)航跡。在對(duì)接和加油階段其主要任務(wù)是計(jì)算受油機(jī)相對(duì)加油機(jī)的速度和加速度，在確保安全的前提下保持編隊(duì)飛行。綜上所述，獲取時(shí)空連續(xù)的三維點(diǎn)云圖像圖像序列是完成相對(duì)位姿估算任務(wù)的必要條件。在本章中為了系統(tǒng)的闡述深度信息相對(duì)位姿估算的原理，不考慮視角問(wèn)題。圖 2.3 為在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下生成的受油機(jī)在預(yù)對(duì)接位置時(shí)觀測(cè)到的加油機(jī)平面圖像信息。該圖與深度信息傳感器輸出的信號(hào)主要區(qū)別在于其無(wú)法提供深度信息。但是我們依然可以從中得到啟發(fā)，平尾、垂尾和機(jī)翼等部位能提取出近似于平面的形狀特征。
......
第 3 章 空中加油環(huán)境建模與定位問(wèn)題分析.................44
3.1 空中加油環(huán)境建模概述 ..............................44
3.2 影響環(huán)境建模的因素 ...............................45
3.2.1 傳感器測(cè)量噪聲 .................................45
第 4 章 受油機(jī)參考軌跡規(guī)劃研究 .........................70
4.1 受油機(jī)參考軌跡規(guī)劃 .................................71
4.1.1 受油機(jī)動(dòng)力學(xué)方程與運(yùn)動(dòng)方程 ......................71
4.1.2 軌跡規(guī)劃中的約束條件 ............................73
第 5 章 基于自抗擾控制的相對(duì)位姿控制律設(shè)計(jì).............96
5.1 自抗擾控制基本原理 .................................96
5.1.1 ADRC 數(shù)學(xué)模型 ....................................97
5.1.2 跟蹤微分器(TD) .................................97
第 5 章 基于自抗擾控制的相對(duì)位姿控制律設(shè)計(jì)
在第 4 章研究在加油機(jī)尾流、陣風(fēng)和受油機(jī)質(zhì)變等干擾下如何確保根據(jù)相對(duì)位姿估算和受油機(jī)反饋規(guī)劃出一條向加油機(jī)逼近的參考軌跡控制算法的基礎(chǔ)上，本章主要研究在加油機(jī)尾流、陣風(fēng)和受油機(jī)質(zhì)變等干擾下如何確保受油機(jī)安全、穩(wěn)定和準(zhǔn)確的沿參考軌跡完成對(duì)接加油任務(wù)。通過(guò)前面的分析可知，穩(wěn)定的飛行控制與合理的參考軌跡規(guī)劃是相輔相成的，由于在空中加油飛行狀態(tài)下的飛機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性、不確定性對(duì)象，如何抑制這些干擾的影響，控制受油機(jī)按參考軌跡飛行是實(shí)現(xiàn)自主空中加油任務(wù)的最終目的。
本章采用自抗擾控制(Active Disturbances Rejection Control, ADRC)方法來(lái)設(shè)計(jì)空中加油飛行控制律。自抗擾控制的特點(diǎn)在于它對(duì)非線性耦合和不確定性采用“觀測(cè)+補(bǔ)償”的方法進(jìn)行處理，而且它的觀測(cè)基本上不依賴于對(duì)象的模型。這種特征使自抗擾控制特別適合應(yīng)用于空中加油控制問(wèn)題。
5.1 自抗擾控制基本原理
基于狀態(tài)空間描述的現(xiàn)代控制理論在上個(gè)世紀(jì)六、七十年代得到迅速發(fā)展，尤其是對(duì)線性系統(tǒng)，在分析和綜合方面從理論上均給出了很多完美的結(jié)論。很多學(xué)者因此預(yù)言，基于現(xiàn)代控制理論的新型控制器可能在短時(shí)間內(nèi)取代基于經(jīng)典調(diào)節(jié)理論的 PID 調(diào)節(jié)器。但實(shí)踐表明，以 PID 控制律為基礎(chǔ)的各種調(diào)節(jié)器仍然保持主導(dǎo)地位，在工業(yè)過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、航天控制等領(lǐng)域中，大部分控制器都采用 PID 調(diào)節(jié)器[97]。PID 調(diào)節(jié)理論對(duì)對(duì)象數(shù)學(xué)模型的依賴程度很小，只需要依據(jù)對(duì)象的一些基本特征通過(guò)調(diào)節(jié) PID
早在 2004 年美國(guó)空軍的 Ross 和 Spinelli 就針對(duì)自主空中加油中加受油機(jī)編隊(duì)飛行控制開(kāi)展理論研究，其主要是采用差分 GPS 以加油機(jī)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，來(lái)驗(yàn)證在預(yù)對(duì)接和對(duì)接過(guò)程中受油機(jī)與加油機(jī)自主編隊(duì)飛行和相對(duì)位姿估算能力，經(jīng)計(jì)算得出二者相對(duì)位置誤差不超過(guò) 0.1m，并且該方案在以 Calspan Learjet 作為受油機(jī)和以 C-12 作為加油機(jī)試飛中得以成功驗(yàn)證(如圖 1.3 所示)。該研究結(jié)果表明 GPS 可作為加油油機(jī)相對(duì)位姿估算的數(shù)據(jù)源[11-12]。
第 2 章 相對(duì)位姿估算問(wèn)題描述與數(shù)學(xué)模型
2.1 基于深度信息的相對(duì)位姿控制基本方案
基于深度信息、INS 和 GPS 的自主空中加油原理方框圖如圖 2.1 所示，相對(duì)位姿估算控制器利用不同數(shù)據(jù)源提供的信息預(yù)測(cè)加受油機(jī)之間的相對(duì)位姿變化，根據(jù)自主空中加油的任務(wù)要求和編隊(duì)飛行安全
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