高超声速滑翔飞行器再入轨迹快速、高精度优化

针对高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化问题，提出一种基于稀疏差分法和网格细化技术的快速、高精度求解方法。该方法应用局部配点法将再入轨迹优化问题转化为非线性规划(NLP)问题，从两方面提高轨迹优化的效率和精度。一方面，引入一种高效的稀疏差分法计算NLP的一阶偏导数，提高NLP的求解效率；另一方面，提出一种基于新型广义二分网格的网格细化算法调整离散节点的数量和分布，使得方法能够采用较少的节点数目取得较高的优化精度，从而减小NLP的规模和计算量。应用该方法求解了高超声速滑翔再入轨迹优化问题，仿真结果表明所述方法能够快速生成一条严格满足各种约束的最优三维再入轨迹。在此基础上，研究了滑翔飞行器的再入落点区范围，进一步检验了该方法的有效性。     

配点法和网格细化技术用于非光滑轨迹优化

针对非光滑轨迹优化问题,采用局部配点法开发出通用的轨迹优化方法（考虑NLP的规范化处理、稀疏特性和数值微分算法等）,从细化效率、易用性和适应性等角度对基于数据压缩原理的网格细化技术进行改进,发展出通用的非光滑轨迹优化方法。采用典型的非光滑轨迹优化算例对方法进行了验证,结果表明：(1) 所述方法能够以较少的离散节点高精度、快速求解非光滑轨迹优化问题,在轨迹变化平坦区域采用较稀的网格,在轨迹变化剧烈区域加密网格;(2) 采用控制变量作为网格细化函数能够捕捉到状态变量的剧烈变化特性;(3) 采用局部配点法优化轨迹时,在非光滑区域应该加密网格而不宜分段优化。     

一种求解轨迹优化问题的改进多分辨率技术

针对轨迹优化多分辨率技术可能发生细化遗漏或者细化失败的缺陷，设计了一种改进多分辨率技术。该方法通过在每次网格细化迭代过程中增加两层高分辨率节点并且引入节点检测算法，确保在轨迹的非光滑区域能够高效、持续地细化网格。针对原始多分辨率技术的初始网格的节点数目存在二进限制的弊端，定义了一种新的广义二分网格，使得多分辨率技术的初始网格节点数目可以为任意奇数。采用多个轨迹优化算例验证了本文方法的有效性并且与其它方法进行了对比。此外，仿真结果还表明，网格充分细化对目标函数影响不大，但是能够更加准确地满足路径约束和终端状态约束。     

探月返回飞行器跳跃式再入轨迹优化

基于节点自适应稀疏配点法,提出一种高精度求解探月返回飞行器跳跃式再入轨迹优化问题的方法。该方法的基本策略是：首先,应用节点自适应稀疏配点法对完整的跳跃式再入轨迹进行优化;然后,根据优化得到的控制变量对再入动力学方程进行数值积分;当积分至跳跃轨迹的最高点时,以积分得到的状态变量值作为新的初始条件,对二次再入轨迹重新优化。仿真结果表明：1)对二次再入轨迹重新优化能够显著提高跳跃式再入轨迹的优化精度,否则轨迹优化精度低,终端误差较大;2)在跳跃轨迹的最高点进行的二次优化是一种准实时优化,在跳跃式再入轨迹的制导领域具有潜在应用价值。     

基于多项式插值的自由漂浮空间机器人轨迹规划粒子群优化算法

针对自由漂浮空间机器人轨迹规划问题,提出一种基于多项式插值与粒子群优化算法相结合的非完整运动规划方法。首先,通过对系统非完整约束条件进行分析,给出了以机械臂关节角耗散能为目标函数的轨迹最优控制算法;并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,将插值多项式的系数作为优化参数,结合粒子群优化算法对关节角轨迹进行优化求解。最后,对本文提出的轨迹规划算法进行数值仿真。仿真结果表明关节角轨迹平滑连续,保证了关节角速度及关节角加速度在初始和终止状态均为零,从而验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于联立框架的轨迹优化算法

为了更好解决复杂多约束下的在线轨迹优化问题,研究了一种基于联立求解框架进行轨迹优化的算法。此方法是一种直接法,先利用有限元正交配置法将状态和控制变量同时离散化,然后使用内点算法对离散得到的非线性命题进行求解。从平衡解的精度和计算代价的角度出发,引入了针对内点算法的收敛深度控制策略来改进方法的快速收敛性。最后,以某航天器月面上升段最优入轨任务为算例,验证了算法的精度和快速收敛性。     

高超声速飞行器再入轨迹快速优化研究

基于求解最优控制问题的Chebyshev伪谱法(Chebyshev Pseudospectral Method,CPM),研究了高超声速飞行器再入轨迹快速优化问题。针对远程多约束条件下再入轨迹优化问题的难点,提出了一种线性初值与节点更新相结合的优化策略,将攻角与倾侧角同时作为控制变量,以再入飞行时间最短为优化目标,利用CPM将轨迹优化问题转化为非线性规划问题,并使用SNOPT软件包求解,使CPM成为一种再入轨迹快速优化的通用算法。以某类高超声速再入飞行器为对象进行轨迹优化计算,并对比相同仿真条件下粒子群(PSO)算法的优化效果,仿真结果验证了该算法具有较高的求解效率和快速收敛性。     

基于序列凸优化的高超声速滑翔式再入轨迹快速优化

针对具有热流、动压、过载以及多个禁飞区约束的再入轨迹优化问题,提出采用序列凸优化方法快速求解。利用归一化时间作为自变量解决终端时间自由问题,并引入辅助控制变量以减少序列优化结果中的高频振荡,在此基础上,通过线性化、离散化和非凸约束的凸化处理,将非凸非线性优化问题转化为二阶锥规划(Second Order Conic Programming,SOCP)问题,然后采用凸优化求解算法快速求解。数值优化结果与对比验证表明该方法能快速高效求解多约束条件下的再入轨迹优化问题,且计算效率和性能均优于传统的非线性规划方法。     

基于序列二次规划算法的再入轨迹优化研究

介绍了序列二次规划算法在飞行器再入轨迹优化问题中的应用.首先引入了能量替代变量对无量纲运动方程进行推导,使得运动方程和优化问题易于处理,考虑严格的过程约束和终端约束,以攻角和倾侧角为控制变量,总加热量最小为性能指标;然后通过直接配点法将最优控制问题转化为非线性规划问题,选取各节点的状态量和控制量作为优化参数;最后应用序列二次规划算法对非线性规划问题进行求解.针对多约束的再入飞行器的轨迹优化时对初值敏感的问题,提出一种参考轨迹快速规划算法,提高了优化速度.仿真结果表明提出的方法能够较快地搜索到最优轨迹,满足所有约束且落点精度高.     

基于非线性最优终端匹配的再入轨迹快速规划研究

针对新型升力式再入飞行器再入轨迹终端需满足多约束条件的情况,研究 了一种基于非线性最优终端匹配的再入轨迹快速规划方法。根据升力式再入特性和任务需要 ,将飞行器再入轨迹划分为初始下降段、准平衡滑翔段和终端匹配段,其中初始下降段和准 平衡滑翔段采用单参数迭代搜索法快速生成轨迹,终端匹配段则基于一种全局插值多项式来 离散化控制变量,并采用复形调优法对这一参数化最优问题进行非线性优化求解。仿真结果 表明,轨迹快速规划方法可以在半分钟内生成一条满足多终端约束的再入轨迹,并具 有较高的精度。该方法对于未来新型升力式再入飞行器具有很好的工程应用前景。
     

基于节点改善策略的伪谱轨迹优化

基于Legendre Gauss Lobatto（LGL）伪谱法(PSM)求解最优控制问题的原理,研究了有限推力轨迹快速优化设计以及计算节点和效率改善策略。对远程变轨动力学模型进行了无量纲化处理,并设计了初值生成和串行优化求解策略,用来提高多变量多约束大规模稀疏非线性规划问题的收敛性。结合极小值原理推导了问题的最优性必要条件,基于协态映射原理设计了数值解的最优性验证方法。利用二阶微分方程技术消去部分状态量,建立了节点和计算效率改进模型,并讨论了该策略的相关数值处理技术。仿真结果表明,本文的算法可以快速地提供应用于实际飞行任务的最优解,节点改善策略在保证计算精度的同时,有效降低了计算收敛时间。     

带有控制变量变化率约束的伪谱轨迹优化方法

基于伪谱法提出一种能够求解带有控制变量变化率约束的轨迹优化方法。首先,应用伪谱法将轨迹优化转化为非线性规划;其次,引入有限差分法将控制量变化率约束转化为相邻离散点处控制量的线性约束;然后,应用非线性规划算法求解带有线性约束的非线性规划;最后,采用带有控制量变化率约束的轨迹优化问题对方法进行了验证。仿真结果表明,此方法能够快速求解带有控制量变化率约束的轨迹优化问题,与引入控制量导数作为虚拟控制量的传统控制量变化率约束处理方法相比,此方法计算量更小,并且避免了虚拟控制量振荡问题,更容易收敛,综合效果是能够将优化耗时减少大约80%。     

基于hp伪谱同伦凸优化的火箭垂直回收在线轨迹规划方法

针对可重复使用运载火箭垂直回收轨迹优化问题,提出了一种带有最优终端时间估计策略的hp伪谱同伦凸优化在线轨迹规划算法。首先,考虑状态约束和过程约束的非凸性,采用无损凸化处理推力幅值约束;然后,结合同伦方法与不动点迭代思想将气动力与非凸质量约束转化为线性时变剖面,完成问题凸化;进一步基于hp flipped Radau伪谱法对问题进行离散化处理,将最优控制问题转化为参数优化问题,进而采用原-对偶内点法求解;最后,为进一步减少燃料消耗,提升经济效益,考虑最优终端时间难以在线确定的问题,结合解析推导与二次插值法,设计了最优终端时间快速估计策略。仿真结果表明所设计的轨迹优化算法最优终端时间估计速度快,收敛性能良好,具有较高的精度和计算效率,具备在线应用的潜力。     

高超声速飞行器多约束再入轨迹快速优化

针对高超声速飞行器再入过程中面临测控区和绕飞区的再入轨迹设计问题，提出了一种基于Gauss伪谱法(GPM)的分段轨迹优化策略。将轨迹优化的一般最优控制问题转换为多段最优控制问题，进而将各段轨迹按Gauss伪谱方法进行离散化，将连续多段最优控制问题转换为非线性规划问题(NLP)进行求解。所得再入轨迹能够使得飞行器在满足各种约束条件的情况下成功进入测控区并且有效规避绕飞区，最终到达指定点。此外，本文综合考虑飞行器再入飞行的快速性和工程实用性，并提出了再入时间、弹道倾角以及航向角相关指标的加权性能指标，同时保证了轨迹规划快速、再入轨迹平滑以及控制量变化平缓等实际需求，提高了计算效率。仿真结果表明，本文所提出的分段优化方案能够快速规划出适应不同飞行任务的再入轨迹。     

多目标融合的冗余空间机械臂碰前轨迹优化

面向在轨对接与装配任务,提出了多目标融合的冗余度空间机械臂碰前轨迹优化方法。通过分析任务特点,阐述了空间机械臂碰前的多重任务目标。针对由空间机械臂连续轨迹跟踪、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第一类任务,通过设置任务优先级融合多目标并采用基于主任务零空间的方法实现对碰前轨迹的优化;而对由空间机械臂点到点规划、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第二类任务,通过设置任务权重将多目标融合并采用遗传算法对碰前轨迹进行优化。以典型七自由度机械臂为例开展仿真实验,验证了提出的轨迹优化方法的有效性。     

二级入轨空天飞机上升轨迹优化

以最小燃料消耗量为性能指标,考虑了多种约束条件(过载、动压、加热率等 ),采用了组合优化方法对空天飞机上升轨迹进行优化。该组合优化算法包括静态参数与动 态参数优化方法。其中,静态参数优化算法采用了全范围搜索方法,动态参数优化算法包 括动态规划法与共轭梯度法。通过数值仿真计算,得到飞行分离状态数据及相应的最 优 上升轨迹。数值仿真表明,该组合算法对航天器轨迹优化具有良好的适用性及实际工程价 值。
     

吸气式高速飞行器爬升-巡航轨迹在线优化

针对吸气式高速飞行器的大气层内爬升和巡航飞行段,进行了在线轨迹优化设计。与传统的爬升段结合定高定速巡航轨迹形式不同,采用优化的方法得到的轨迹能够保证性能指标的最优性。首先,将轨迹优化问题建模为非线性最优控制问题,控制量包括攻角、倾侧角以及燃油当量比。然后,对问题的非线性进行了处理,将变量进行离散化,得到凸优化问题。分析了飞行器的气动和推力特性,设计了优化变量的初始参考。最后,设计算法的外环迭代策略,将每一次求得的解作为参考轨迹进行下一次迭代计算。数值仿真结果表明,该方法能够解决吸气式高速飞行器爬升巡航段轨迹优化问题,并且求解时间满足在线轨迹优化要求。