基于物理规划的高超声速飞行器滑翔式再入轨迹优化

 轨迹优化是新型高超声速滑翔式再入飞行器方案设计的关键技术之一。物理规划方法能够以较低的计算代价获得设计者偏好的多目标优化问题的折中解。基于该方法研究滑翔式再入最优飞行轨迹。首先介绍物理规划方法求解多目标优化问题的数学模型,然后将考虑射程最大、热载最小、热流密度峰值最小和弹道最稳定4个目标的再入最优轨迹问题纳入物理规划的框架求解。以某带翼锥形再入飞行器为例,通过计算并分析单目标优化结果,确定具体的偏好结构,采用遗传算法求解了考虑热流、过载、动压和终端条件约束的多目标最优轨迹。优化计算结果验证了物理规划方法的有效性。分析了沿最优轨迹飞行的物理原因和基本迎角控制规律,可为滑翔式再入飞行器的最优轨迹方案设计提供依据。     

有动力通用再入飞行器的轨迹设计与优化

研究了有动力通用再入飞行器的燃料最优巡航轨迹,将问题转化为求解最优稳态巡航轨迹和最优周期巡航轨迹问题。基于稳态动力学方程求解了全局最优稳态巡航轨迹,采用直接打靶法求解了最优周期巡航轨迹,求解过程均考虑了质量变化。结果表明,与全局最优稳态巡航轨迹相比,在一个周期内,最优周期巡航轨迹在燃料消耗和吸热量两个方面都更具优势,采用超燃冲压发动机和火箭发动机分别可以节省4.75%和3.96%的燃料,吸热量分别减小10.4%和5.9%。     

基于混合优化的运载器大气层内上升段轨迹快速规划方法

针对运载器大气层内的最优轨迹快速规划问题,提出一种将求解最优控制问题的间接法与直接法相结合的混合优化方法。首先,基于最优控制问题的一阶必要条件,将运载器大气层内的三维最优上升问题转化为Hamiltonian两点边值问题;然后,采用直接法中能以较少的节点获得较高求解精度的Gauss伪谱法进行求解,提高算法的求解效率;最后,采用真空解析解初值及密度同伦技术,解决初值猜测与算法收敛困难的问题。仿真结果表明,混合优化算法能够准确、快速地对运载器大气层内的最优上升轨迹问题进行求解,并在计算精度与效率上均优于间接法,可应用于运载器的轨迹在线规划与闭环制导。     

用最大值原理求某无人机的最优上升轨迹

为改进某无人机飞行性能，应用最大值原理求解无人机在垂直平面内的最优上升轨迹，推导了无人机最经济爬升所满足的极值方程；并用此方程和最快爬升极值方程这两类目标函数求解了某无人机的最优上升轨迹，计算结果表明，经优化后的爬升轨迹可以节省燃油，延长无人机的续航时间或快速爬升到预定的终点高度具有较好的性能收益。     

基于GPM的高超声速飞行器再入轨迹优化

为保证高超声速飞行器具有最大再入距离,应用高斯伪谱方法求取了存在路径约束及终端约束的飞行器最优再入轨迹。首先选取迎角及倾斜角作为最优控制量,并分析再入轨迹的最优控制模型;然后应用高斯伪谱方法将最优控制问题离散成非线性规划问题,并采用SNOPT软件包对非线性问题进行求解,得到最优轨迹。通过仿真证明了该方法求得的最优轨迹对初始值不敏感,且具有良好的实时性。     

飞机在低空风切变中下滑问题探讨

本文主要是探讨飞机在垂直风梯度(水平风随高度的变化)中下滑时的稳定性和操纵性,系统地推导了飞机纵向运动全量方程和线化模型;用Runge-Kutta方法求解全量方程得到了飞机在固定操纵条件下风切变中下滑的轨迹;用线化模型讨论了飞机的纵向静稳定性和高度模态稳定性。本文还对操纵方式和最优操纵等问题进行了理论分析和计算。     

基于螺旋理论的机械手最优位姿轨迹规划方法研究

提出了一种在笛卡儿空间实现机器人操作手最优位姿轨迹规划新方法。基于欧拉刚体有限转动定理,根据旋量理论和计算几何中三维直纹面路程参数生成原理,求以等效角位移矢量在空间的运动轨迹形成的直纹曲面面积及其变化率并考虑运动时的灵活性为泛函的泛函极值来实现以路径最短、运动灵活性最好、或动力学性能最优为目标的机器人位置和姿态轨迹优化生成,建立了相应的优化数学模型及求解方法。最后,用该法对三自由度平面机器人操作手进行了仿真计算。     

基于Radau伪谱方法的轨迹优化

研究了导弹在末制导阶段满足多约束条件下的轨迹优化问题。针对传统方法在处理复杂的非线性运动学、动力学约束上存在的困难,提出了一种基于Radau伪谱方法(RPM)的求解策略。首先,给出了考虑导弹速度和空气密度变化、终端和过程约束条件以及2种不同的性能指标函数的最优轨迹优化问题;其次,利用RPM将轨迹优化问题转化为非线性规划问题,采用序列二次规划算法求得最优解;最后,分2种初始条件对最大落角和最大终端速度的轨迹优化问题进行了仿真验证,结果表明:本文方法能够在较短的时间内生成一条满足多种约束要求的高精度的最优轨迹。     

再入滑翔式飞行器轨迹快速优化

为了满足再入滑翔飞行器轨迹实时生成的要求,提出了一种轨迹快速优化方法.在模型处理方面,根据再入飞行器运动的特点,对再入轨迹方程进行了合理的简化处理和无量纲化处理,使其更适合数值优化算法求解;在算法方面,采用乘子法对再入终端约束进行处理,然后采用共轭梯度法求解最优的再入轨迹.仿真结果表明,这样处理只需10s左右的时间便能产生一条满足约束条件的再入优化轨迹,验证了模型     

联立法求解月面上升段最优轨迹的快速收敛控制技术

为了更好地解决复杂约束下的航天器月面上升段在线轨迹规划问题,提出了一种求解最优轨迹的联立框架。首先利用有限元正交配置法将状态变量和控制变量完全离散化,得到一个非线性规划命题。考虑到命题中含有较多的不等式约束并且会随着有限元的增加而增加,故采用内点算法对非线性规划命题进行求解。离散化后的非线性规划命题的规模大幅度增加,导致了优化计算难度的加大和求解时间的增加,为了便于联立法的在线应用,采用收敛深度控制策略从平衡解的精度和计算效率的角度来改进优化算法的实时性。以某航天器载人返回任务月面上升段场景为算例进行仿真,结果表明基于联立法求得的最优控制量序列得到的飞行轨迹满足轨道根数的精度要求,同时利用收敛深度控制策略可以实现快速收敛控制。     

基于二代小波的轨迹优化节点自适应加密

针对采用直接法求解轨迹优化问题中精度和效率之间的矛盾,提出了基于二代小波轨迹优化节点自适应加密.采用RK(Runge-Kutta)离散方法将原轨迹优化问题转化为非线性规划问题,并采用成熟的非线性规划算法求解.对控制或状态函数进行小波变换得到小波系数,基于小波系数和二分节点的对应关系,根据小波系数的幅值确定下一个迭代步所使用的节点并进行序列优化.算例结果表明:通过设置合适的小波系数阀值,采用较少的时间离散节点即可使优化结果达到预定的精度.与高斯伪谱法软件相比,节点个数大约减少10%,最优指标的精度大约提高1个数量级.      

一类最佳飞行轨迹的计算

 本文给出了一种简化的直接多重打靶算法,并讨论了该算法在求解一类最佳飞行轨迹上的应用。数值计算结果表明,本文所给的算法收敛性好,对初值无很高要求,因而避免了在计算之前对问题进行冗繁的解析分析。     

三维高超声速飞行器再入轨迹快速优化

高超声速再入轨迹优化问题是一类复杂的最优控制问题。采用高斯伪谱法(GPM)将再入轨迹优化问题转化为非线性规划问题(NLP),对NLP进行归一化处理后,采用SNOPT软件包求解。根据协态变量映射规则计算出协态变量,得出哈密尔顿函数沿最优控制的变化过程。算例中,GPM耗时约7 s即可生成一条严格满足各种约束的三维最优再入轨迹,耗时远少于相关文献,并且优化精度高,满足一阶最优性必要条件。     

地形跟随系统中最优飞行参考轨迹的线性规划算法

结合飞机地形跟随的实际,首先提出了在构造最优期望的地形跟随飞行轨迹时确定地形模型包线的方法。然后通过引入松驰变量,剩余变量和人工变量,构造辅助目标函数Z1,以及应用换基运算,对线性规划问题进行了必要的简化,使参考轨迹的计算更简便。航迹角修正法的采用,进一步修正了规划出的飞行轨迹,从而获得了理想的飞行参考轨迹。最后,以随机地形为例对规划出的最优飞行参考轨迹进行了数字仿真,其结果符合地形跟随时最优参考飞行轨迹的要求。     

非合作目标交会的双层MPC全局轨迹规划控制

针对空间非合作目标近距离视线交会中的全局最优鲁棒轨迹规划与控制问题,提出了基于高斯伪谱方法（GPM）和线性时变模型预测控制（LTVMPC）的双层模型预测控制（MPC）算法。在轨迹规划方面,以视线坐标系下的相对轨道动力学为模型、能量最少和控制精度最优为性能指标构建最优控制问题,利用GPM精度高、收敛速度快的特点将最优控制问题转化为易于求解的全局非线性规划问题,在MPC框架下求解得到全局最优的标称轨迹,克服了传统的MPC不适用于全局大范围非线性规划的缺点;在轨迹跟踪控制方面,考虑预测时域内状态转移矩阵的时变特性,设计了LTVMPC算法对标称轨迹进行追踪,避免了存在不确定性时轨迹的重规划,从而降低在线计算量,保证算法在线自主实施,并且采用滚动优化的策略使算法对不确定性具有鲁棒性。由于规划层和控制层考虑的约束相同,因此规划的轨迹是可控、可达的。数字仿真表明,在燃料消耗和交会时间等方面,提出的方法均显著优于传统的MPC方法,相较于传统的MPC方法,新算法的交会时间减少50%左右,燃料消耗降低30%以上。     

非结构网格及混合网格复杂无粘流场并行计算方法研究

在分布式存储网络异构编程PVM环境下,本文将原串行计算程序改造为并行计算程序,提高了计算效率.利用非结构网格,对球体及航天飞机外形绕流流场进行了计算,取得了较好的性能结果.最后将该方法应用于混合网格的计算,求解了多种复杂外形的无粘绕流,如翼身组合体和DDF1C导弹,得到了满意的结果.     

最优过程理论在飞行轨迹优化计算中的应用

主要介绍了应用最优过程理论计算飞机最优飞行轨迹的数学模型和计算方法。针对变参数的处理方法进行了研究,给出了计算时间最短水平机动运动的数学工具箱相并提出了一种简单适用的两点边值问题数值计算方法。通过实例计算表明该方法是正确的,所得最优飞行轨迹参数没有波动现象,曲线光滑。此方法对于飞机空战机动研究具有一定的参考价值。     

飞机最短时间爬升轨迹的格点搜寻算法

以飞机在垂直平面的运动方程为基础,采用线性时间负荷控制的飞行模式,提出了求解飞机最短时间爬升轨迹的格点搜寻算法.该方法视飞机为一质点,以此为基础计算出每个相邻格点的时间间隔,最后用h×Ma格点数搜寻法求出飞机最短时间爬升的最优轨迹.数字仿真表明,在规定的爬升范围内用格点搜寻算法可以实现快速的时间响应,得到的最优轨迹能够准确地跟踪设定的性能指标.     

基于预置动压的高超声速飞行器上升段轨迹设计

针对高超声速飞行器燃料最省上升轨迹的研究问题,为实现高超声速飞行器的燃料最省上升轨迹快速求解,对定动压情况下高超声速飞行器上升段轨迹特性进行了研究分析,给出了定动压情况下高超声速飞行器燃料最省上升轨迹的快速反解方法,总结分析了不同定动压下的上升轨迹特性,并在此研究的基础上提出了基于预置动压的高超声速飞行器上升段轨迹设计方法。该方法可以通过设计燃料最省的动压曲线,反解出该预置动压下的上升轨迹参数,得到一条近似燃料最省最优解的轨迹。仿真结果表明,经过解算得到的上升轨迹结果与高斯伪谱法得到的最优上升轨迹结果基本相似。     

基于高斯伪谱法的飞机下降段轨迹优化

以大型运输机为研究对象,进行风干扰下的飞机下降段轨迹优化.通过对飞机下降过程的分析,建立了飞机的运动学模型、油耗模型和大气模型,得出了问题的目标函数和约束.运用高斯伪谱法把最优控制问题转化为非线性规划问题,并用序列二次规划求解非线性规划问题.仿真计算得到飞机最短下降时间的最优轨迹,讨论了不同的成本指数对下降时间和燃油消耗的影响.仿真结果表明,成本指数越大,飞机下降时间越短,燃油消耗越多.