基于hp自适应Radau伪谱法的再入飞行器轨迹优化

全局伪谱方法在解决平滑最优控制问题时具有指数级收敛速度,但对于状态变量震荡的最优控制问题往往难以在短时间内取得满意解。飞行器机动再入轨迹通常为震荡形式,因此设计了hp自适应Radau伪谱算法(hp-RPM)求解再入最优轨迹。hp-RPM以相对曲率作为判据,将震荡轨迹划分为多个平滑子区间,在每个子区间内采用低阶插值多项式逼近最优轨迹,以提高算法效率、估计精度和解的最优性。仿真结果表明,hp-RPM方法在算法效率、估计精度、解的最优性上,较全局Radau伪谱方法均有较大程度的提高。

基于自适应radau伪谱法的机械手轨迹规划方法研究

考虑到机器人在工作过程中不同的轨迹规划造成关节力矩的变化对于负载能力有一定的影响,为提高机械手的负载能力,采用自适应radau伪谱法对机械手进行轨迹优化。依据建立的二自由度和三自由度机械手的动力学模型,以关节位置、速度作为状态变量,力矩作为控制变量,并考虑机械手运动过程中的状态约束,边界约束,再以关节力矩平方和作为Bolza最优控制问题的优化目标函数,利用自适应radau伪谱法将连续最优控制问题转化为非线性规划问题,在求解过程中动态调整运动过程分段个数和多项式阶数来提高求解速率,得出最优关节力矩。将该种方法与五次多项式插值轨迹规划得到的关节力矩进行对比,仿真结果表明,该种方法明显的降低了机械手的各关节力矩,提高了机械手的负载能力。最后通过实验验证了该种方法的正确性、有效性。

基于hp-自适应伪谱法的高超声速飞行器上升段闭环制导研究

对于高超声速飞行器的上升段而言,希望其能够在短时间内飞行较远的距离,并且达到理想的速度和高度;最重要的就是如何优化其轨迹,规避上升过程中的各种干扰因素,自主完成整个飞行任务。文章以X-33飞行器模型作为研究对象,提出一种基于hp-自适应伪谱方法的轨迹优化方法和闭环制导策略,实时修正飞行路径,使其最终以理想速度到达目标位置;通过仿真验证了该方法的可靠性;结果表明,该方法具有较高的精度,收敛时间快,为闭环制导实时性研究提供了方向。

基于伪谱法的水下航行体快速操舵变深图谱研究

本文设计了hp自适应Radau伪谱算法(hp-RPM),基于水下航行体垂直面三自由度运动方程求解了操纵首尾升降舵控制方式下的上浮最优控制问题。根据不同航速、不同最大纵倾角限制、不同变深范围的仿真计算上浮总时间结果,绘制了最大纵倾角—航速图谱、最大纵倾角—变深范围图谱和航速—变深范围图谱,并根据最快变深操纵控制的特点,绘制了不同变深范围的回舵提前深度图谱和最大垂速图谱。最优控制结果符合操纵运动规律,可用于指导操舵人员变深机动操纵、制定变深机动训练标准和开展训练效果评估。

面向突防的多导弹协同弹道规划方法

针对目前多弹协同研究中长距离、宽速域、大空域协同弹道规划研究匮乏这一问题,同时考虑通过弹道设计降低飞行过程中雷达探测概率的实际需求,提出了一种面向突防的多导弹攻击时间/攻击角度协同的弹道规划方法。根据雷达方程,建立了威胁量化模型;针对多导弹攻击时间/攻击角度协同作战需求,给出了实现攻击时间/攻击角度协同的方法;设计了协同弹道规划求解框架,将上述协同攻击问题转化为非线性规划问题,基于hp-自适应Radau伪谱法进行求解得到了满足攻击时间/攻击角度协同的弹道,并对两种典型案例进行了仿真验证。同地先后发射和不同地同时发射情况下,均得到了满足攻击时间/攻击角度协同的弹道。仿真结果表明,该方法能够满足雷达探测威胁最小条件下,多导弹以协同攻击时间/攻击角度对目标实施打击。

基于优化弹道的BPNN预测制导方法

针对飞行器再入滑翔过程,提出一种跟踪优化弹道的BPNN(BP neural network)预测制导方法。首先着眼于多约束下弹道生成的快速性,利用hp-自适应伪谱法进行弹道优化;然后利用弹道样本数据训练BPNN,建立飞行状态参数与终端状态参数之间的非线性映射关系,实现对终端状态的预测;最后为制导律设计了双层线性反馈校正算法,从而完成预测制导关键环节。仿真算例该表明制导方法能够良好地满足再入飞行约束和终端约束,同时可以较好地实现对优化弹道的跟踪,并具有一定的鲁棒性和航程适应性。

面向突防的多约束滑翔弹道优化设计

快速通过敌方雷达探测区域能够增加打击突然性,提高突防性能。如何在弹道设计中描述雷达探测问题是必须解决的问题。为此,在常见多约束条件下的弹道设计方法基础上,根据雷达方程,将辐射型禁飞区约束转化为沿弹道积分的威胁系数约束。基于威胁系数积分建立弹道优化性能指标函数,利用hp-自适应Radau伪谱法对此优化问题进行求解,得到了满足飞行过程约束且暴露于敌方雷达探测区域最小的飞行弹道,对比分析仿真结果,验证了模型和方法的正确性,达到了提高突防性能的目。

航空制导炸弹轨迹快速优化研究

针对制导炸弹对地攻击的垂直打击的弹道特点,研究了多约束条件下的轨迹优化问题,提出了一种基于hp自适应Radau伪谱法(hp-RPM)的迭代求解策略。该方法允许不同区间的插值多项式的阶次不同,并以轨迹曲率作为重新分配配点以提高区间求解精度的依据,当各配点处的计算精度达到设定的误差允许范围时,迭代停止。以某航空制导炸弹为对象进行轨迹快速优化,仿真结果表明,该方法能够在多约束条件下快速生成满足要求的轨迹,且解的Hamilton函数满足最优性条件,与常规方法相比,平均增程效果达到11.45%。

远程防空导弹的新型弹道优化设计

针对新型目标的运动学特性,在总结了传统的远程拦截导弹飞行弹道基础上,建立了快速介入拦截弹道模型并对弹道进行了仿真,并对仿真结果进行了分析。同时利用hp-自适应伪谱法以拦截时间最小为优化目标对其进行了优化。优化结果表明,快速介入拦截弹道能够很好的同时满足拦截快速性和较大横向修偏能力的需求。

基于HP-RPM的高超声速滑翔飞行器轨迹优化

针对含有航路点、禁飞区约束的再入突防轨迹优化问题,提出了基于HP自适应Radau伪谱法(HP-RPM)的分段轨迹优化策略,给出了在含有热流密度、过载、动压、航路点和禁飞区等约束条件下的再入轨迹优化模型;利用HP-RPM对含有再入的最优控制问题进行离散化,将其转为非线性规划问题,并根据航路点所在的位置,对再入轨迹进行分段,以再入滑翔飞行的时间最短为仿真目标函数进行仿真计算。仿真结果表明,此方法可以生成一条满足多种约束条件的高精度优化轨迹,并且用时较短。

非匹配包线下无人机空基回收拖曳系统协调运动规划

针对非匹配包线下固定翼无人机(UAV)拖曳式空基回收过程中的浮标轨迹稳定问题,提出一种盘旋拖曳系统运动规划方法,通过实时协调母机运动和缆绳收放从而实现浮标拖曳轨道精准稳定。首先,构建气流扰动下考虑缆绳弹性和收放特性的母机-缆绳-浮标组合体多体动力学模型。继而,综合考虑拖曳系统动力学约束和母机飞行能力、缆绳收放能力等物理约束,分别建立基于母机运动和基于母机运动-缆绳收放协调的盘旋拖曳系统运动规划最优控制模型。随后,采用hp自适应Radau伪谱法将所建最优控制模型转化为非线性规划问题,并通过SNOPT求解器解算。最终,通过平静大气下母机运动规划、常值风扰下母机运动规划和常值风扰下母机运动-缆绳收放协调运动规划等典型场景下的仿真实验对比分析表明,本方法可实现一定气流扰动和拖曳系统物理约束下浮标拖曳轨道精准稳定。