A homogenization-planning-tracking method to solve cooperative autonomous motion control for heterogeneous carrier dispatch systems

Taxiing aircraft and towed aircraft with drawbar are two typical dispatch modes on the flight deck of aircraft carriers. In this paper, a novel hierarchical solution strategy, named as the Homogenization-Planning-Tracking (HPT) method, to solve cooperative autonomous motion control for heterogeneous carrier dispatch systems is developed. In the homogenization layer, any towed aircraft system involved in the sortie task is abstracted into a virtual taxiing aircraft. This layer transforms the heterogeneous systems into a homogeneous configuration. Then in the planning layer, a centralized optimal control problem is formulated for the homogeneous system. Compared with conducting the path planning directly with the original heterogeneous system, the homogenization layer contributes to reduce the dimension and nonlinearity of the formulated optimal control problem in the planning layer and consequently improves the robustness and efficiency of the solution process. Finally, in the tracking layer, a receding horizon controller is developed to track the reference trajectory obtained in the planning layer. To improve the tracking performance, multi-objective optimization techniques are implemented offline in advance to determine optimal weight parameters used in the tracking layer. Simulations demonstrate that smooth and collision-free cooperative trajectory can be generated efficiently in the planning phase. And robust trajectory tracking can be realized in the presence of external disturbances in the tracking phase. The developed HPT method provides a promising solution to the autonomous deck dispatch for unmanned carrier aircraft in the future.     

Distributed three-dimensional cooperative guidance via receding horizon control

The paper presents a new three-dimensional (3D) cooperative guidance approach by the receding horizon control (RHC) technique. The objective is to coordinate the impact time of a group of interceptor missiles against the stationary target. The framework of a distributed RHC scheme is developed, in which each interceptor missile is assigned its own finite-horizon optimal control problem (FHOCP) and only shares the information with its neighbors. The solution of the local FHOCP is obtained by the constrained particle swarm optimization (PSO) method that is integrated into the distributed RHC framework with enhanced equality and inequality con-straints. The numerical simulations show that the proposed guidance approach is feasible to imple-ment the cooperative engagement with satisfied accuracy of target capture. Finally, the computation efficiency of the distributed RHC scheme is discussed in consideration of the PSO parameters, con-trol update period and prediction horizon.     

基于滚动窗的元胞自动机实时航迹规划方法研究

为满足载机实时航迹规划中威胁环境不确定性和规划算法实时性的要求,基于预测控制滚动优化的思想和元胞自动机理论,提出一种适合载机实时航迹规划的算法一滚动窗元胞自动机实时航迹规划方法.仿真结果表明,该方法能够在预先未知威胁的飞行环境中有效规划出动态航迹.     

基于Radau伪谱法的无人作战飞机四维轨迹规划

针对无人作战飞机(UCAV)打击时敏目标和多机协同攻击问题,提出一种基于Radau伪谱法(RPM)的无人作战飞机四维攻击轨迹规划方法。在综合考虑UCAV气动力特性、大气环境特性基础上建立了高精度UCAV(3-DOF)质点模型,并设计了约束条件和目标函数;基于动态RCS建立威胁模型,构建了最优控制理论框架的UCAV四维攻击轨迹规划模型;通过RPM将动态RCS威胁下的四维攻击轨迹规划问题转换为非线性优化问题,然后利用SNOPT软件包进行求解。仿真结果表明,该方法能够以较快的速度和较高的精度生成满足多种复杂约束条件的四维攻击轨迹。     

基于偏置比例导引与凸优化的火箭垂直着陆制导

凸优化由于求解效率高在飞行器轨迹规划和制导中得到广泛研究应用。但是，由于火箭垂直返回制导需要考虑气动力带来的非线性，现有的凸优化求解方法或简单地采取逐次线性化近似凸化最优控制问题，经常出现收敛性问题；或需针对具体问题进行相应的系列凸化剪裁，虽然改善了收敛性，但不同模型的凸化剪裁方法差别很大，通用性较差。为此，将偏置比例导引与凸优化相结合，用以求解存在落角、落速和推力范围约束的火箭垂直返回定点软着陆制导问题。提出的制导方法将该制导问题分解为法向满足落角与落点约束的偏置比例导引，以及切向满足速度与推力约束的凸优化和滚动时域控制制导。在切向制导中，提出利用三次多项式近似飞行轨迹以方便凸优化求解，并建立剩余飞行时间的估算方法以提供给比例导引。仿真结果表明，提出的制导方法能有效满足各种约束，实现火箭精确着陆。与现有的直接采取逐次线性化近似的凸优化方法相比，提出的方法由于将制导进行切向和法向分解，大为简化了凸优化模型，显著提高了求解效率和收敛性。此外，提出的方法无需复杂繁琐的凸化处理，对于一般的推力可控且对末速存在约束的固定终端位置的制导问题皆适用。     

基于罚函数序列凸规划的多无人机轨迹规划

多无人机（UAVs）轨迹规划是具有非线性运动约束和非凸路径约束的最优控制问题。引入序列凸规划思想,将非凸最优控制问题近似为一系列凸优化子问题,并利用成熟的凸优化算法进行求解,以更好地权衡最优性和时效性。首先,建立了多无人机协同轨迹规划的非凸最优控制模型。然后,利用离散化和凸近似方法将其转换为凸优化问题,包括对无人机运动模型的线性化,以及对威胁规避约束和无人机碰撞约束的凸化。同时,提出了一种离散点间的威胁规避方法,保证无人机在离散轨迹点间的飞行安全。在凸优化模型的基础上,给出了基于罚函数序列凸规划求解多无人机轨迹规划的具体框架。最后,通过数值仿真验证了方法的有效性,结果表明该方法在多机轨迹规划结果的最优性和时效性都要优于伪谱法,而且优势随编队数量的增加而增大。     

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。     

基于高斯伪谱法的翼伞系统复杂多约束轨迹规划

翼伞系统在实际环境中飞行时易受到风场以及地形环境等复杂干扰的影响,无法精确归航,控制难度较大。针对该问题,提出了一种针对复杂多约束条件的翼伞系统的最优控制轨迹规划方法,可同时实现翼伞系统在复杂环境下逆风对准、精确着陆以及控制量全局最优的控制目标。首先,建立了风场干扰下的翼伞系统模型;然后,通过引入地形环境曲面,将复杂环境转化为实时路径约束,将轨迹着陆偏差以及逆风雀降转化为终端约束,并考虑控制量消耗最小为目标函数,以此将复杂环境下的翼伞系统的轨迹优化转化为一系列非线性的带有复杂约束的最优控制问题;最后,采用高斯伪谱法将多约束最优控制问题转化为易于求解的非线性规划问题。通过设立3组复杂环境仿真实例和实验验证,表明本文方法使翼伞系统在多种较恶劣的复杂环境中有效应对多类约束条件,规划出控制量全局最优的可行轨迹。与已有的混沌粒子群优化算法相比,本文方法具有较好的最优性和较高的精度。     

基于梯度下降法的翼伞系统最优分段航迹规划

传统最优控制航迹规划一般以逆风精确着陆、控制能量小为优化目标，但传统最优控制的操纵过程一般是一条连续变化的曲线，工程上不易实施；与之相比，传统分段航迹规划操纵简单，工程上容易实施，能实现逆风精确着陆的目标，但控制能耗大。为了兼顾逆风精确着陆、能耗低和控制操作简单等目标，提出了一种基于梯度下降法的翼伞最优分段航迹规划方法。该方法将控制变量参数化，将逆风精确着陆、控制能耗小、能实现避障等多目标优化问题转化为加权单目标优化问题，并通过梯度下降法求解得到分段常值最优归航航迹。所提算法与基于伪谱法的最优控制规划航迹和基于遗传算法的分段规划航迹进行了对比，算法仿真结果表明本文提出的最优分段航迹规划法既可以实现着陆精度高、控制能量小、逆风着陆和避障的优化目标，同时规划的航迹又由分段常值实现控制，工程上容易实施，兼顾了最优控制航迹规划和分段航迹规划的优点。     

基于Gauss伪谱法的UCAV对地攻击武器投放轨迹规划

研究无人作战飞机(UCAV)在对地攻击阶段的武器投放轨迹规划问题.针对传统方法在处理复杂的飞行器运动学、动力学约束上存在的困难,提出了一种基于Gauss伪谱法(GPM)的求解策略.首先,为了最大程度地逼近实际飞行环境,对UCAV的气动力特性、发动机推力特性、油耗特性及大气环境特性进行了高精度拟合,并充分考虑了飞行器各种...     

基于非线性规划的高超声速滑翔轨迹优化

研究了最大航程的无动力滑翔轨迹优化问题。为避免间接法的缺点,采用直接单重打靶法将轨迹优化问题转换为非线性规划问题,并利用非梯度优化算法和梯度优化算法相结合的混合优化策略得到最优轨迹。仿真结果表明,在采用更为真实的大气模型和动力学模型条件下,该方法具有较高的求解精度、收敛性以及鲁棒性,降低了初值要求;相对于最大升阻比轨迹,射程提高1.54%。     

基于直接配点法的绳系卫星系统变轨控制

讨论了不必回收子星的二体绳系卫星系统(TSS)的变轨方案。假设TSS质心运动满足经典的二脉冲Hohmann变轨,用未变形绳长加速率控制两次脉冲期间的TSS运动。利用直接配点法中的Hermite-Simpson方法将控制消耗最小的最优问题离散为大型非线性规划问题,然后用MATLAB的SNOPT软件包求解;针对初始偏差较大的实际情况,又结合直接配点法和滚动时域控制得到了解析的反馈控制律。仿真算例表明,得到的TSS变轨过程状态变化平滑,控制消耗较小,而且变轨之后TSS接近平衡状态;此外,反馈控制律对最优路径的跟踪效果较好,能够消除初始偏差的影响。     

基于Voronoi图和蚁群算法的无人机航迹规划

为提高无人机任务环境模拟的真实性,利用改进后的Voronoi图对任务环境进行建模.同时,为了更快地生成一条满足任务需求的最优飞行航迹,提高航迹规划的实战性和高效性,分析了蚁群航迹规划算法的运行原理,以及算法运行机制对算法性能的影响,提出了算法的改进原则,并在此基础上给出了新的信息素更新方式和新的启发式.利用改进后的蚁群...     

Trajectory optimization of multiple quad-rotor UAVs in collaborative assembling task

A hierarchic optimization strategy based on the offline path planning process and online trajectory planning process is presented to solve the trajectory optimization problem of multiple quad-rotor unmanned aerial vehicles in the collaborative assembling task. Firstly, the path planning process is solved by a novel parallel intelligent optimization algorithm, the central force optimization-genetic algorithm (CFO-GA), which combines the central force optimization (CFO) algorithm with the genetic algorithm (GA). Because of the immaturity of the CFO, the convergence analysis of the CFO is completed by the stability theory of the linear time-variant discrete-time sys-tems. The results show that the parallel CFO-GA algorithm converges faster than the parallel CFO and the central force optimization-sequential quadratic programming (CFO-SQP) algorithm. Then, the trajectory planning problem is established based on the path planning results. In order to limit the range of the attitude angle and guarantee the flight stability, the optimized object is changed from the ordinary six-degree-of-freedom rigid-body dynamic model to the dynamic model with an inner-loop attitude controller. The results show that the trajectory planning process can be solved by the mature SQP algorithm easily. Finally, the discussion and analysis of the real-time per-formance of the hierarchic optimization strategy are presented around the group number of the waypoints and the equal interval time.     

A study of morphing aircraft on morphing rules along trajectory

Morphing aircraft can meet requirements of multi-mission during the whole flight due to changing the aerodynamic shape, so it is necessary to study its morphing rules along the trajectory. However, trajectory planning considering morphing variables requires a huge number of expensive CFD computations due to the morphing in view of aerodynamic performance. Under the given missions and trajectory, to alleviate computational cost and improve trajectory-planning efficiency for morphing aircraft, an offline optimization method is proposed based on Multi-Fidelity Kriging (MFK) modeling. The angle of attack, Mach number, sweep angle and axial position of the morphing wing are defined as variables for generating training data for building the MFK models, in which many inviscid aerodynamic solutions are used as low-fidelity data, while the less high-fidelity data are obtained by solving viscous flow. Then the built MFK models of the lift, drag and pressure centre at the different angles of attack and Mach numbers are used to predict the aerodynamic performance of the morphing aircraft, which keeps the optimal sweep angle and axial position of the wing during trajectory planning. Hence, the morphing rules can be correspondingly acquired along the trajectory, as well as keep the aircraft with the best aerodynamic performance during the whole task. The trajectory planning of a morphing aircraft was performed with the optimal aerodynamic performance based on the MFK models, built by only using 240 low-fidelity data and 110 high-fidelity data. The results indicate that a complex trajectory can take advantage of morphing rules in keeping good aerodynamic performance, and the proposed method is more efficient than trajectory optimization by reducing 86% of the computing time.     

城市风场环境中的无人机快速航迹规划方法

密集的城市障碍环境以及复杂的城市风场干扰对航迹规划的实时性和航迹跟踪的准确性提出了严格要求,为此提出一种城市风场环境中的小型无人机(UAVs)快速航迹规划方法。首先,为了保证航迹规划的高效性,对固定翼无人机运动学方程进行了合理简化。其次,由于障碍环境中的最优航迹难以直接完全塑造,因此根据状态受限的最优控制理论给出了可以使用螺旋线与直线构建近似最优航迹的结论,并据此提出了一种针对城市环境的三维航迹规划方法。然后,通过对无人机运动学模型的分析,从规划角度提出了风场干扰下的航迹设计准则。仿真实验中,首先通过算法对比实验,验证了航迹规划方法的高效性;然后使用六自由度(DOF)飞机模型分别在无风场干扰和有风场干扰的环境下进行了航迹跟踪实验,实验结果证明了风场干扰下航迹设计准则的有效性。     

固定翼无人机编队的启发分布式模型预测控制

针对无人机编队飞行控制中队形保持、路径规划、重构、防撞等多重功能需求,采用启发型分布式模型预测控制框架,将需求转化为多目标优化问题中的代价函数与相容性约束求解,实现了对无人机编队飞行的一体化控制.同时,采用分阶段式的轨迹规划算法,融合模型预测轨迹规划与多项式轨迹规划,利用多项式轨迹系数实现高效的邻居轨迹信息交互,从而增大了模型预测控制的预测范围,并降低了规划控制过程中的计算量与通信量.最后,通过9架无人机的协同避障编队仿真,证明了该方法的有效性.     

通信和测量受限条件下异构多UAV分布式协同目标跟踪方法

研究了通信和测量受限的异构多无人机(UAV)网络化分布式协同目标观测与跟踪问题.该分布式UAV系统采用长机一僚机异构型网络结构,以实现在电子静默和战术隐身条件下扩大探测和打击纵深.提出改进的一致性信息滤波(ICF)算法,实现通信和测量范围内各UAV节点的分布式信息融合.由于一致性算法的收敛性与网络拓扑结构的连通性密切相...     

基于阻力加速度倒数剖面的再入轨迹规划与制导方法

针对升力式飞行器再入制导问题,提出了一种基于阻力加速度倒数剖面的在线解析规划与制导方法。首先将过程和终端约束转换成阻力加速度倒数形式的飞行走廊,采用三次样条函数描述倒数剖面。然后通过解析计算航程上下界,利用待飞航程在倒数剖面内的近似线性关系,以满足待飞航程为目标,迭代计算得到阻力加速度倒数剖面;在飞行过程中根据当前状态和实际待飞航程,周期性更新阻力加速度倒数剖面。通过对阻力加速度剖面的跟踪进行纵向制导,解算倾侧角指令;通过倾侧角反向来进行侧向制导,限制航向角偏差。实现了再入轨迹的在线快速生成与更新,并利用阻力加速度动态特性,将其与跟踪制导结合,提出的方法效率高,适应性强,有工程应用的潜力。     

重访机制驱动的多无人机协同动目标搜索方法

为实现多无人机高效捕获灰色任务区域内的移动目标,考虑传感器探测概率与虚警概率,提出了重访机制驱动的协同搜索规划（RMD-CSP）方法,以降低目标遗漏与误判概率。考虑无人机飞行性能约束,以最大化任务执行效能为目标建立多无人机协同搜索模型。根据目标先验信息初始化环境搜索信息图（包括目标概率分布图、环境不确定度图与环境搜索状态图）,利用无人机实时探测信息,基于贝叶斯准则持续更新搜索信息图。定制基于环境不确定度更新的重访机制,通过增加长时间未被重访区域的环境不确定度,引导无人机搜索该区域,降低移动目标的遗漏概率;定制基于目标函数权重更新的重访机制,引导无人机快速重访发现新的疑似目标的区域,对疑似目标进行再次确认,减少由于传感器虚警概率造成的目标误判概率。采用滚动时域规划架构,将搜索规划问题分解为一系列短时域规划问题,提升了求解效率。在典型任务想定下,通过数值仿真试验验证了所提方法的有效性。仿真结果表明,RMD-CSP能够在秒级时间内生成每个时域的搜索航迹,相比于光栅式搜索方法与标准的概率启发式搜索方法,能够引导无人机捕获更多的移动目标,同时减少误判次数,有效提升了多无人机协同搜索的任务效能。