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飞机牵引滑行入港安全运动路径生成及其轨迹跟踪控制方法

孙艳坤 杨慧 张威 秦嘉浩

孙艳坤, 杨慧, 张威, 秦嘉浩. 飞机牵引滑行入港安全运动路径生成及其轨迹跟踪控制方法[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(5): 91-101. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.010
引用本文: 孙艳坤, 杨慧, 张威, 秦嘉浩. 飞机牵引滑行入港安全运动路径生成及其轨迹跟踪控制方法[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(5): 91-101. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.010
SUN Yankun, YANG Hui, ZHANG Wei, QIN Jiahao. A Method for Safe Moving Paths and Tracking & Control of the Trajectory of Towed Taxiing-in Aircrafts[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(5): 91-101. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.010
Citation: SUN Yankun, YANG Hui, ZHANG Wei, QIN Jiahao. A Method for Safe Moving Paths and Tracking & Control of the Trajectory of Towed Taxiing-in Aircrafts[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(5): 91-101. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.010

飞机牵引滑行入港安全运动路径生成及其轨迹跟踪控制方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.010
基金项目: 

国家自然科学基金民航联合基金重点项目 U2033208

中央高校基本科研业务费项目 3122020031

详细信息
    作者简介:

    孙艳坤(1980—),博士,副教授. 研究方向:机场地面运行. E-mail: yksun1234@163.com

    通讯作者:

    张威(1979—),博士,教授.研究方向:飞机地面特种车辆与作业等. E-mail: drwadecheung@gmail.com

  • 中图分类号: V351.34

A Method for Safe Moving Paths and Tracking & Control of the Trajectory of Towed Taxiing-in Aircrafts

  • 摘要: 针对飞机紧急降落后无法继续利用自身动力滑行入港场景,研究使用牵引车牵引其滑行入港的方式,考虑牵引滑入时机轮与机场跑道及滑行道边缘的安全净距,分别提出适用于机型-机场匹配时的牵引车-飞机系统的铰接点过中心线(HPOC)法和不匹配时的飞机主起落架几何中心过中心线(GCOC)法,并基于2种方法建立运动学模型,在净距及飞机前轮转角约束下对系统转弯滑行入港运动进行轨迹规划。基于GCOC法建立连续非线性系统的轨迹跟踪模型,通过线性二次调节器(LQR)对不同权重系数及存在初始偏差的轨迹跟踪问题进行了研究。结果表明:牵引车以HPOC法牵引飞机在与其机型不匹配的机场滑行入港时,机轮会发生碰撞危险;而采用GCOC法时其运动轨迹可以满足跑道及滑行道边缘的安全净距要求。在对系统进行轨迹跟踪控制时,当将飞机主起落架几何中心的横、纵坐标权重系数Q1Q2及表示飞机姿态的角度权重系数Q3均设为100,而表示牵引车姿态的角度权重系数Q4设为0时,即:Q=(100,100,100,0),该方法可将实际牵引滑行入港轨迹与参考轨迹的偏差保持在0.05~0.1 m以内,且能够在10 s左右抑制系统状态变量误差,并使控制变量达到稳定;同时能够在12 s左右修正系统的初始偏差,相较于单机偏差修正的10 s,具有可接受的效果。

     

  • 图  1  新净距安全评估几何模型

    Wf-牵引车前轮距;Wb-牵引车后轮距;L1为飞机轴距;L2-牵引车前轮几何中心与铰接点的距离;L3-铰接点与牵引车后轮几何中心的距离;Wa-飞机轮距;R0-铰接点转弯半径;R1-飞机主起落架中心转弯半径;R2-牵引车后轮中心转弯半径;R3-牵引车前轮中心转弯半径。

    Figure  1.  Geometric model of new clearance safety assessment

    图  2  仿真路面场景设置

    Figure  2.  Simulation pavement scene setting

    图  3  牵引车-飞机系统运动关系图

    XOY-为地面坐标系;P2-无杆牵引系统的铰接点;P1-飞机主起落架几何中心点;δ-牵引车前2轮中心位置的转向角;φ1φ2为飞机和牵引车的轴向与横坐标之间的夹角;α为飞机的前轮转弯角(牵引车车身与飞机机身的夹角);v1v2分别为飞机和牵引车的速度。

    Figure  3.  Motion diagram of HPOC method

    图  4  HPOC法可视化仿真分析图(4C机场)

    Figure  4.  Visual simulation analysis diagram of HPOC method(4C)

    图  5  HPOC法可视化仿真分析图(3C机场)

    Figure  5.  Visual simulation analysis diagram of HPOC method(3C)

    图  6  GCOC法可视化仿真分析图(3C机场)

    Figure  6.  Visual simulation analysis diagram of GCOC method(3C)

    图  7  LQR控制原理

    Figure  7.  LQR control principle

    图  8  控制器模块

    Figure  8.  Controller module

    图  9  无杆牵引系统控制系统图

    Figure  9.  Control system diagram of traction taxi system

    图  10  不同权重系数下的跟踪误差

    Figure  10.  Tracking errors with different weight coefficients

    图  11  不同权重系数下的控制变量增量

    Figure  11.  Control variables increment with different weight coefficients

    图  12  不同初始偏差下的系统跟踪误差

    Figure  12.  Tracking errors with different initial deviations

    图  13  不同初始偏差下的控制变量增量

    Figure  13.  Control variables increment with different initial deviations

    图  14  存在初始偏差的轨迹跟踪控制结果

    Figure  14.  Trajectory tracking control results with initial deviation

    表  1  牵引车-飞机系统关键点坐标

    Table  1.   Parameters of traction taxi system

    关键点 X Y
    铰接点 x2 y2
    飞机主起落架几何中心 x1 y1
    飞机主起落架外侧左轮 $x_3=x_1-\frac{w_{a 1}}{2} \sin \theta_1 $ $y_3=y_1+\frac{w_{a 1}}{2} \cos \theta_1 $
    飞机主起落架外侧右轮 $ x_4=x_1+\frac{w_{a 1}}{2} \sin \theta_1$ $y_4=y_1-\frac{w_{a 1}}{2} \cos \theta_1 $
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    表  2  无杆牵引系统参数

    Table  2.   Parameters of traction taxi system 单位: m

    参数 数值
    牵引车轴距L 4.5
    牵引车前轮距Wf 2.1
    牵引车后轮距Wb 2.7
    B737-800飞机轴距L1 15.6
    B737-800飞机外侧轮距Wa1 7
    牵引车前2轮几何中心与铰接点距离L2 2.968
    铰接点与牵引车后2轮几何中心距离L3 1.534
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    表  3  阿克曼转向原理计算结果与仿真结果的比较

    Table  3.   Comparison of Results Calculated from the Ackerman Steering Principle and Simulation

    牵引滑行方法 参数 计算得到的半径值/m 仿真得到的半径值/m
    HPOC R0 45.7 45..7
    R1 43.0 42.2
    R3 46.0 45.1
    GCOC R0 48.2 48.0
    R1 45.7 45.7
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    表  4  不同权重系数

    Table  4.   Different weight coefficients

    案例 Q1 Q2 Q3 Q4
    1 5 5 5 0
    2 10 10 10 0
    3 100 100 100 0
    4 1 000 1 000 1 000 0
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    表  5  不同初始偏差参数

    Table  5.   Different initial deviation

    案例 x1/m y1/m φ1/rad φ2/rad
    5 0.5 0.5 0.02 0
    6 0.3 0.8 -0.1 0
    7 0.5 -0.7 -0.05 0
    8 0.8 0.2 0.1 0
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  • 收稿日期:  2022-04-05
  • 网络出版日期:  2022-12-05

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