طراحي كنترل‌ سامانه‌ سوخت‌گيري هوايي با استفاده از تركيب بينايي ماشين و GPS با در نظر گرفتن اثرات جريان گردابي هواپيماي سوخت‌دهنده

Control Design of an Aerial Refueling System Using a Combination of Machine Vision and GPS Taking into Account the Vortex Flow Effects of the Refueling Aircraft

هدف از سوخت‌رساني در پرواز، حل مشكل محدوديت مقدار سوخت حمل‌شده، تكنيكي براي افزايش برد و مداومت پروازي طولاني مي‌باشد. در اين مقاله، طراحي كنترل‌ كننده سيستم‌ سوخت‌گيري هوايي با استفاده از تركيب بينايي ماشين و GPS به همراه فيلتر كالمن بي‌اثر تكراري با لحاظ كردن اثرات جريان گردابي هواپيماي سوخت‌دهنده و توربولانس اتمسفر مورد تحقيق قرار گرفته است. از آنجايي كه مرحله اتصال بين دو وسيله پرنده، بسيار حساس، چالش‌برانگيز و در موفقيت‌آميز بودن فرايند سوخت‌رساني هوايي تأثير مستقيمي دارد، طراحي كنترلي به منظور هدايت ميله سوخت‌رساني به دراگوي متحرك و سپس نگه‌داشتن ميله سوخت‌رسان در آن مرحله تا كامل‌شدن فرايند سوخت‌گيري هوايي صورت پذيرفته است. براي اين منظور، ابتدا مدل‌سازي هواپيماي گيرنده سوخت درحضور اثرات توربولانس اتمسفر و جريان گردابي هواپيماي سوخت‌دهنده، انجام شده است. سپس يك سيستم كنترلي LQR بين پراب و دراگو بر اساس تركيب بينايي ماشين و GPS براي سوخت‌گيري هوايي پيشنهاد گرديد. همچنين براي بدست آوردن موقعيت نسبي دقيق بين هواپيماي گيرنده سوخت و دراگو يك روش فيلتر كالمن بي اثر تكراري براي ادغام اطلاعات ارائه شده است. پس از پياده‌سازي نرم‌افزاري و شبيه‌سازي، عملكرد مطلوبي با قانون كنترلي LQR جهت اتصال هواپيماي سوخت‌گيرنده به هواپيماي سوخت‌دهنده به دست آمده است. نتايج شبيه سازي نشان مي‌دهد كه طرح كنترلي پيشنهادشده دقيقا مي‌تواند موقعيت نسبي را بدست آورده و اتصال ايمن و موفقي بين دو وسيله پرنده را تحقق بخشد.

The purpose of aerial refueling is to solve the problem of limiting the amount of fuel carried, a technique to increase range and endurance. In this paper, the control design of an air refueling system using a combination of machine vision and GPS with iterated uncented Kalman filter is taking into account the vortex effects of the tanker aircraft and atmospheric turbulence. Since the docking phase between two aircraft is very sensitive, challenging, and has a direct effect on the success of the aerial refueling process, a control is designed to guide the probe to the moving drogue, and then hold the probe at that stage until the air refueling process is complete. For this purpose, first, the receiver aircraft is modeled in the presence of atmospheric turbulence effects and the vortex of the tanker aircraft. Then, an LQR control system between probe and drogue based on the combination of machine vision and GPS for aerial refueling was proposed. An iterated uncented Kalman filter method for data integration is also proposed to obtain the exact relative position between the receiver aircraft and the drogue. After software implementation and simulation, good performance is obtained with the LQR control rule for connecting the receiving aircraft to the refueling aircraft. The simulation results show that the proposed control scheme can achieve exactly the relative position and realize a safe and successful connection between the two flying devices.