收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于改进Gauss伪谱法的高超声速飞行器轨迹优化与制导

孙勇  
【摘要】:近二十年来,临近空间被各大国所特别关注,由于大气稀薄,空气阻力小,是实现全球范围内快速飞行的理想空间,高超声速飞行器既具有入轨的能力,又可以再入大气层快速攻击地面目标,具有大升阻比、机动性强、全球快速到达、威力大等特点,可以进行全球实时侦察、快速部署和远程精确打击能力,对未来的作战方式将产生重要影响。因此,高超声速飞行器相关技术和理论得到了广泛研究,其中,高超声速飞行器快速轨迹优化与高精度制导是保证其完成任务的重要前提,由于运动方程的非线性、环境复杂性和多种约束条件的存在,使得难以求解,本文针对该问题进行相关研究。 第一,研究了高超声速飞行器运动和气动建模问题。对于实际项目中的高超声速飞行器,给出了上升段轨迹优化问题的数学描述。在半速度坐标系下,建立了高超声速飞行器再入运动模型。通过分析气动系数数据,综合考虑攻角和速度两个因素,建立了双变量气动系数模型,通过对比,表明该气动模型具有更高的精度。在所建立的气动模型的基础上,分析了高超声速飞行器的升阻比特点,对不同升阻比下的轨迹进行了分析。提出了高超声速飞行器再入轨迹优化与制导问题的数学描述。 第二,研究了含有路径约束非线性最优控制问题的计算方法。传统的Gauss伪谱法中终端状态积分约束是非线性的,不利于计算,并且协态变量的计算方法与其他伪谱法不一致。为了提高收敛速度,利用状态微分方程矩阵和Gauss权重系数将非线性的终端状态积分约束等价转化为等价的线性约束形式,减少了非线性约束的个数,基于线性终端状态积分约束,提出了改进的Gauss伪谱法(IGPM),证明了新的协态映射定理,进一步完善了Gauss伪谱法。新的协态变量计算方法与其他伪谱法具有统一形式。针对初始时刻协态变量不易计算的问题,提出了简单的计算初始时刻协态变量的方法;由于控制变量没有在边界时刻取值,根据极大值原理,考虑动态微分方程约束和路径约束,提出了端点时刻控制变量的计算方法。 第三,研究了标准的Bolza型多段非线性最优控制问题的多段轨迹优化方法。对于含有复杂路径约束的非线性最优控制问题,只增加离散点个数,导致微分矩阵维数增大,计算效率下降。因此,引入分段的思想,基于IGPM,提出了多段改进Gauss伪谱法(MIGPM),证明了多段协态映射定理,可以方便地计算协态变量,并提出了分割点处协态和控制变量的计算方法。为了提高解的精度,提出了基于MIGPM的多段轨迹优化算法,并求解高超声速飞行器再入轨迹纵向航程最大问题,解的精度和收敛速度均优于全局轨迹优化方法。 第四,研究了能够高精度处理路径约束和确定间断点能力的动态轨迹优化方法。对于有高精度路径约束要求,并含有不连续控制的问题,全局轨迹优化方法对路径约束的精度不高,并且多段轨迹优化算法难以确定间断点。以综合相对误差向量作为参数更新的判断条件,提出离散点和阶段数量更新方法。重点考虑解和路径约束的满足精度,基于MIGPM提出了动态轨迹优化算法。通过实例验证了该算法的快速收敛性、寻找间断点和处理路径约束的能力。 第五,研究了竖直平面和三维空间的高超声速飞行器上升段最省燃料的轨迹优化问题,并研究了再入轨迹纵向航程和横向航程最大的轨迹优化问题。采用基于IGPM的迭代算法一和动态轨迹优化算法分别求解竖直平面上升段最优轨迹和上升段同时转向的最优轨迹,结果表明最省燃料的轨迹均属于先加速后上升的类型。为了提高计算速度和精度,提出了两种全局轨迹优化迭代算法,仿真结果表明,两种迭代算法都能很快地收敛到最优解。应用动态轨迹优化算法和最新的hp自适应伪谱法求解再入纵向航程和横向航程最大轨迹优化问题,结果表明,动态轨迹优化算法的计算效率、收敛半径和处理路径约束的能力都优于hp自适应伪谱法。分析了再入的最优升阻比特性,再入中段最优升阻比基本上等于最大升阻比,为再入轨迹优化问题的初值选取提供了借鉴。 第六,研究了高超声速飞行器再入过程在线最优反馈制导问题。为了处理模型中的不确定性和干扰,采用Carathe′odory π轨迹的概念,推导采样时间的取值方法,从而保证在存在计算延迟的条件下,系统的跟踪精度仍然能够满足误差要求。将最优控制与在线最优反馈相结合,利用IGPM快速收敛的特点,提出了在线最优反馈制导算法。将提出的轨迹优化方法与在线最优反馈制导算法相结合,提出了一种满足在线计算要求的高超声速飞行器再入闭环制导系统结构,为提高高超声速飞行器再入过程的自主性、可靠性和最优性提供了解决方案。将在线最优反馈制导算法应用于横向航程最大制导问题、定点定向攻击制导问题和在线自主避障再入制导问题,仿真结果表明该制导方法能够很好地满足指标要求。 综上所述,本文提出了高超声速飞行器轨迹优化方法和在线最优反馈制导方法,为高超声速飞行器轨迹在线优化和高精度制导奠定了一定基础。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 姚宗信;;高超声速飞行器冲跃飞行轨迹优化研究[J];导弹与航天运载技术;2007年04期
2 张益;被动式跟踪中轨迹优化问题的研究[J];火控雷达技术;2004年04期
3 赵振宇;王成勇;吴世雄;周后明;;型腔尖角的轨迹优化(英文)[J];Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics;2007年02期
4 张锦;王伟;宁东方;;用遗传算法进行飞机节油轨迹优化[J];弹箭与制导学报;2005年SA期
5 蒲宏斌;詹浩;;飞机低空突防轨迹优化研究[J];飞行力学;2008年03期
6 曾宪法;申功璋;张磊;;基于非线性规划的空空导弹水平转弯轨迹优化[J];飞行力学;2008年03期
7 陈胜琪;;基于样条曲线的机动弹头再入轨迹优化研究[J];飞行力学;2009年01期
8 刘能广;任天然;柴苍修;皮德来;;基于遗传算法的喷漆机器人轨迹的二层规划[J];机械设计与制造;2008年06期
9 陈小庆;侯中喜;刘建霞;;基于多分辨率技术的滑翔飞行器轨迹优化算法[J];宇航学报;2010年08期
10 张青,邹慧君,郭为忠,田永利;闭合五杆缝纫机送料机构的运动仿真和轨迹优化[J];机械设计与研究;2004年06期
11 王伟;宁东方;张锦;;基于能量状态法的飞机节油轨迹优化及其遗传算法实现[J];测控技术;2006年01期
12 齐映红;曹喜滨;;基于遗传算法的最优多脉冲交会轨道设计[J];哈尔滨工业大学学报;2008年09期
13 田小燕;陈怀民;吴成富;李爱民;;基于能量控制的长航时飞机轨迹优化设计及仿真[J];弹箭与制导学报;2004年S9期
14 陈安军;马学文;;基于速度方向可操作度的冗余机器人关节轨迹优化[J];机械传动;2008年02期
15 段佳佳;徐世杰;朱建丰;;基于蚁群算法的月球软着陆轨迹优化[J];宇航学报;2008年02期
16 王群伟;吴成富;陈怀民;;能量状态法的无人机节油轨迹优化[J];火力与指挥控制;2008年11期
17 刘泽明;张青斌;丰志伟;杨涛;;基于小波配点法的空间机械臂关节轨迹规划[J];国防科技大学学报;2010年06期
18 徐颖;刘星;孙晓阳;;基于粒子群优化算法的飞行成本最优轨迹优化[J];飞机设计;2011年01期
19 高彦(尔土);侯洛源;;飞机飞行操纵优化研究[J];飞行力学;1993年03期
20 周细文,刘璇;小型酒瓶装卸箱机机构的轨迹优化[J];北京轻工业学院学报;1999年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 祝开建;李炎恒;蒋方华;龚胜平;李俊峰;宝音贺西;;混合群智能算法在行星探测轨迹优化中的应用[A];北京力学会第14届学术年会论文集[C];2008年
2 蒋敏卫;;Matrix Parameterization Method for Solving Ill-conditioned Problem of Gauss-Markov Model[A];数学·力学·物理学·高新技术交叉研究进展——2010(13)卷[C];2010年
3 宝音贺西;;国际深空轨迹优化大赛及结果[A];第二届全国动力学与控制青年学者研讨会论文摘要集[C];2008年
4 苏茂;王永骥;刘磊;常松涛;;基于改进粒子群算法的再入飞行器轨迹优化?[A];中南六省(区)自动化学会第二十九届学术年会论文集[C];2011年
5 周文雅;;升力式航天器再入轨迹优化与制导算法研究[A];第四届全国动力学与控制青年学者研讨会论文摘要集[C];2010年
6 曾祥远;李俊峰;宝音贺西;;应用太阳帆的金星往返任务轨迹优化[A];北京力学会第十六届学术年会论文集[C];2010年
7 王鑫;黎冰;;自由度工业点焊机器人的运动学分析与仿真[A];上海市化学化工学会2010年度学术年会论文集(自动化专题)[C];2010年
8 马广富;刘刚;黄静;李传江;;基于Gauss伪光谱算法的航天器姿态快速机动控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
9 李俊峰;祝开建;;2005年~2007年国际深空轨迹优化竞赛综述[A];动力学与控制及航天应用[C];2008年
10 南英;陆宇平;龚平;;登月返回再入轨迹的优化设计[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第五届学术年会论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孙勇;基于改进Gauss伪谱法的高超声速飞行器轨迹优化与制导[D];哈尔滨工业大学;2012年
2 郭铁丁;深空探测小推力轨迹优化的间接法与伪谱法研究[D];清华大学;2012年
3 田玉娟;Gauss对称在椭圆型与抛物型方程中的应用[D];大连理工大学;2010年
4 李远;多UAV协同任务资源分配与编队轨迹优化方法研究[D];国防科学技术大学;2011年
5 钱承山;空天飞行器多模型鲁棒控制研究[D];南京航空航天大学;2009年
6 张万里;轨道转移飞行器的轨迹优化与制导算法研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
7 陈小庆;高超声速滑翔飞行器机动技术研究[D];国防科学技术大学;2011年
8 张洋;太阳帆航天器姿态控制与轨迹优化研究[D];中国科学技术大学;2010年
9 刘松国;六自由度串联机器人运动优化与轨迹跟踪控制研究[D];浙江大学;2009年
10 雍恩米;高超声速滑翔式再入飞行器轨迹优化与制导方法研究[D];国防科学技术大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张勇;一种飞行演示器的上升段轨迹优化及仿真研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
2 蒋正谦;飞行器上升段闭环制导轨迹优化[D];上海交通大学;2013年
3 张泰;吸气式高超声速飞行器轨迹优化研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
4 夏梦;复杂约束下飞行器轨迹快速优化设计[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 马冬玲;Gauss白噪声相位对几类混沌系统的抑制[D];哈尔滨工业大学;2010年
6 贺从园;高超声速飞行器再入段的最优制导[D];哈尔滨工业大学;2011年
7 郝首霖;一类二次规划逆问题的Gauss回代交替方向法[D];大连理工大学;2013年
8 汤明;数控加工刀位轨迹优化处理[D];华中科技大学;2012年
9 王巧生;高速铣削切削力变化及刀具轨迹优化研究[D];广东工业大学;2005年
10 杜昕;载人深空飞行返回再入特性分析与制导研究[D];国防科学技术大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 丁 刚;中国电池再入美将成悬念[N];中国企业报;2004年
2 张军;回流书画再入藏家视野[N];中国商报;2003年
3 新华社环球财经专线分析师 李晓纬;反弹幅度有限 月末再入跌途[N];粮油市场报;2005年
4 徐毅 梁慧娴;投资邮票有风险看准时机再入市[N];山西日报;2004年
5 通讯员 廖轩;我稻草再入日本市场[N];中国国门时报(中国出入境检验疫报);2001年
6 刘静;中国改革再入攻坚年代[N];工人日报;2005年
7 李瀛寰;朗讯1.2亿CDMA再入联通[N];中国计算机报;2004年
8 毛柏银;市场再入低谷 短期恐难回升[N];中国化工报;2001年
9 曹坚;将主人骗出杀害再入户取财是否“入户”抢劫[N];检察日报;2004年
10 任力;龙化总厂经营再入佳境[N];中国有色金属报;2000年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978