Automated aerial refuelling of a large receiver aircraft
Date
2016-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Performing aerial refueling of a large receiver is an extremely strenuous task for a pilot. Automating the aerial refueling for a large receiver is thus highly desirable. While significant research has been performed on the autonomous aerial refueling of unmanned and fighter-sized aircraft, the challenges of autonomously refueling a large receiver are largely unknown. This thesis seeks to investigate these challenges. Primarily it seeks to determine whether the long distance between the centre of gravity (CG) and refueling receptacle (RR) has a meaningful impact on controller design.
A linear model is derived to describe the movement of the receiver aircraft’s refueling receptacle during aerial refueling. This novel linear model is compared to existing linear aircraft models. Through analysis it is shown that the distance between the CG and the RR must be included in the dynamic model of the receiver. A novel normal controller is designed using a new architecture that takes the relative movement of the CG and the RR into account. An axial controller is derived using an innovative high-drag configuration in order to combat the slow engine response of large aircraft. Optimal control is used to design an RR specific lateral
controller.
Other challenges relating to the refueling of a large receiver are also investigated. A control strategy for the tanker is developed using existing FBW control inputs and hold modes. The tanker control is designed to be supplied by a pilot and does not require any customisation of flight software. It is expected that tanker downwash will have a significant effect on the
receiver. The linear models and non-linear simulation are adapted to include uncertain downwash
disturbances. The controllers are customised to control the receiver in various trajectories:
approach, toboggan, and racetrack. The linear models are augmented with a linearised model
of the Airbus A330 MRTT’s fly-by-wire (FBW) system. The FBW system is slightly adapted to be suited to automatic control. The controllers are redesigned to operate through the FBW.
The designed controllers are tested in a non-linear simulation. Simulations are performed in light and medium turbulence, as defined in MIL-STD-1797. Robustness tests are performed with regard to downwash and sensor delays. Through numerous non-linear simulations on two different simulators, it is shown that the control system is capable of performing automated
aerial refueling in light and medium turbulence.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Om brandstofaanvulling van ’n groot ontvangervliegtuig in die lug uit te voer, is vir ’n vlieënier ’n uiters veeleisende taak. Dit is dus wenslik om hierdie taak te outomatiseer. Terwyl ’n aansienlike hoeveelheid navorsing reeds gedoen is oor die utonome brandstofhervulling van onbemande en veggrootte-vliegtuie in die lug, is die uitdagings verbonde aan die outonome hervulling van ’n groot ontvangervliegtuig steeds grotendeels onbekend. Hierdie tesis ondersoek hierdie uitdagings. Die navorsing in hierdie tesis poog hoofsaaklik om te bepaal of die lang afstand tussen die swaartepunt en die hervullingspoort ’n betekenisvolle impak op beheerontwerp het. ’n Lineêre model word afgelei om die beweging van die ontvangervliegtuig se hervullingspoort tydens hervulling in die lug te beskryf. Hierdie nuwe lineêre model word dan met bestaande lineêre vliegtuigmodelle vergelyk. Deur ontleding word daar gewys dat die afstand tussen die swaartepunt en die hervullingspoort in die dinamiese model van die ontvangervliegtuig ingesluit moet word. ’n Nuwe normaalbeheerder word ontwerp deur ’n nuwe argitektuur te gebruik wat die relatiewe momente van die swaartepunt en hervullingspoort in ag neem. ’n Aksiaalbeheerder word afgelei deur ’n innoverende hoësleur-konfigurasie te gebruik, met die doel om die stadige enjinrespons van groot vliegtuie teen te werk. Optimaalbeheer word gebruik om ’n hervullingspoort-spesifieke laterale beheerder te ontwerp. Ander uitdagings wat verband hou met die hervulling van ’n groot ontvangervliegtuig word ook ondersoek. ’n Beheerstrategie vir die tenkvliegtuig word ontwikkel deur bestaande elektroniese (“fly-by-wire”) beheerinsette en houmodusse te gebruik. Die tenkvliegtuigbeheer word ontwerp om deur ’n vlieënier gedoen te kan word, en vereis geen pasmaking van die vliegsagteware nie. Daar word verwag dat die tenkvliegtuig se neerstroming ’n beduidende effek op die ontvangervliegtuig sal hê. Die lineêre modelle en nie-lineêre simulasies word aangepas om die wisselvallige neerstromingsteurings in te sluit. Die beheerders word pasgemaak om die ontvangervliegtuig in verskeie trajekte te beheer, naamlik nadering (“approach”), rodelslee (“toboggan”), en renbaan (“racetrack”). Die lineêre modelle word aangevul deur ’n gelineariseerde model van die Airbus A330 MRTT se elektroniese beheerstelsel (“fly-by-wire”). Hierdie stelsel word effens aangepas om geskik te wees vir outomatiese beheer. Die beheerders word dan herontwerp om deur hierdie stelsel te kan funksioneer. Die ontwerpte beheerders word in ’n nie-lineêre simulasie getoets. Simulasies word uitgevoer in ligte en matige turbulensie, soos in MIL-STD-1797 gedefinieer. Robuustheidstoetse word uitgevoer met betrekking tot neerstroming en sensorvertragings. Uit veelvuldige nielineêre simulasies op twee verskillende simulators word daar gewys dat die beheerstelsel wel in staat is tot geoutomatiseerde brandstofhervulling in die lug, in ligte sowel as matige turbulensie.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Om brandstofaanvulling van ’n groot ontvangervliegtuig in die lug uit te voer, is vir ’n vlieënier ’n uiters veeleisende taak. Dit is dus wenslik om hierdie taak te outomatiseer. Terwyl ’n aansienlike hoeveelheid navorsing reeds gedoen is oor die utonome brandstofhervulling van onbemande en veggrootte-vliegtuie in die lug, is die uitdagings verbonde aan die outonome hervulling van ’n groot ontvangervliegtuig steeds grotendeels onbekend. Hierdie tesis ondersoek hierdie uitdagings. Die navorsing in hierdie tesis poog hoofsaaklik om te bepaal of die lang afstand tussen die swaartepunt en die hervullingspoort ’n betekenisvolle impak op beheerontwerp het. ’n Lineêre model word afgelei om die beweging van die ontvangervliegtuig se hervullingspoort tydens hervulling in die lug te beskryf. Hierdie nuwe lineêre model word dan met bestaande lineêre vliegtuigmodelle vergelyk. Deur ontleding word daar gewys dat die afstand tussen die swaartepunt en die hervullingspoort in die dinamiese model van die ontvangervliegtuig ingesluit moet word. ’n Nuwe normaalbeheerder word ontwerp deur ’n nuwe argitektuur te gebruik wat die relatiewe momente van die swaartepunt en hervullingspoort in ag neem. ’n Aksiaalbeheerder word afgelei deur ’n innoverende hoësleur-konfigurasie te gebruik, met die doel om die stadige enjinrespons van groot vliegtuie teen te werk. Optimaalbeheer word gebruik om ’n hervullingspoort-spesifieke laterale beheerder te ontwerp. Ander uitdagings wat verband hou met die hervulling van ’n groot ontvangervliegtuig word ook ondersoek. ’n Beheerstrategie vir die tenkvliegtuig word ontwikkel deur bestaande elektroniese (“fly-by-wire”) beheerinsette en houmodusse te gebruik. Die tenkvliegtuigbeheer word ontwerp om deur ’n vlieënier gedoen te kan word, en vereis geen pasmaking van die vliegsagteware nie. Daar word verwag dat die tenkvliegtuig se neerstroming ’n beduidende effek op die ontvangervliegtuig sal hê. Die lineêre modelle en nie-lineêre simulasies word aangepas om die wisselvallige neerstromingsteurings in te sluit. Die beheerders word pasgemaak om die ontvangervliegtuig in verskeie trajekte te beheer, naamlik nadering (“approach”), rodelslee (“toboggan”), en renbaan (“racetrack”). Die lineêre modelle word aangevul deur ’n gelineariseerde model van die Airbus A330 MRTT se elektroniese beheerstelsel (“fly-by-wire”). Hierdie stelsel word effens aangepas om geskik te wees vir outomatiese beheer. Die beheerders word dan herontwerp om deur hierdie stelsel te kan funksioneer. Die ontwerpte beheerders word in ’n nie-lineêre simulasie getoets. Simulasies word uitgevoer in ligte en matige turbulensie, soos in MIL-STD-1797 gedefinieer. Robuustheidstoetse word uitgevoer met betrekking tot neerstroming en sensorvertragings. Uit veelvuldige nielineêre simulasies op twee verskillende simulators word daar gewys dat die beheerstelsel wel in staat is tot geoutomatiseerde brandstofhervulling in die lug, in ligte sowel as matige turbulensie.
Description
Thesis (D.Phil)--Stellenbosch University, 2016.
Keywords
Airplanes -- Fuel systems, Airplanes -- Refueling, Airplanes -- Design and construction, UCTD