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基于微分平坦理论的飞行器轨迹规划方法研究

作　者: 张超杰
导　师: 陈璟
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 微分平坦飞行器轨迹规划空对地打击 B样条样板航迹规划战术机动战术模板
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 95次
引　用: 2次
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内容摘要

作为任务规划技术的重要内容,轨迹规划技术有利于提高飞机的飞行品质以满足既定任务要求,能够有效提高作战飞机对地打击的成功率。飞行器轨迹规划可以抽象为一个包含微分方程、代数方程和不等式约束条件下求解泛函极值的最优控制问题,直接求解的难度很大。论文为了降低问题的复杂度,针对轨迹规划中的动力学微分方程这一非完整性约束,引入了微分平坦理论,提出了一种分层递阶规划求解方法——在基于B样条的样板航迹规划的基础上,根据微分平坦理论将最优控制问题转化为非线性规划进行求解,保证了生成轨迹的可执行性。论文的主要研究内容如下:1、问题分析与建模。对飞行器对地打击任务进行了深入分析,总结了轨迹规划中所涉及的各种约束条件,并提出了相应的指标,在此基础上,对轨迹规划进行了最优控制形式的一般化描述,建立了以过载和滚转角为控制量的动力学模型、威胁模型等作为轨迹规划的约束条件,为进一步研究轨迹规划方法奠定了基础。2、样板航迹规划技术研究。通过对飞行器对地打击任务中惯常采用的战术机动进行分析,从中提炼出一系列基本动作和空对地打击的一般模式(即战术模板)。论文选取两种典型的对地打击战术模板,进行了基本动作分解和参数化模型描述。在此基础上,研究了基于B样条的样板航迹规划,提出了一个能满足终端约束的避障航迹规划算法,从而为后续的轨迹生成提供了技术支撑。3、基于微分平坦理论的轨迹生成研究。针对具有非完整性约束的飞行器轨迹规划问题,设计了基于微分平坦理论的轨迹生成步骤。并对飞行器的动力学和运动学模型进行了平坦属性的判定,确定了平坦输出。在基于B样条的样板航迹规划的基础上,使用B样条参数化平坦输出,将最优控制问题转化为一般非线性规划问题,保证了生成轨迹的可执行性,同时降低了问题求解难度。通过在项目中的应用,该方法能满足平台本身的非完整性约束、战术终端约束等各种约束条件,并科学地将飞行器对地打击任务中战术和技术进行有机结合,较好地解决了飞行器对地打击任务中轨迹规划问题。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-20
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-16
    1.2.1 航迹/路径规划  13-14
    1.2.2 轨迹规划  14-16
  1.3 论文研究内容  16-17
  1.4 论文组织结构  17-20
第二章飞行器对地打击轨迹规划建模  20-36
  2.1 引言  20
  2.2 飞行器对地打击轨迹规划问题  20-22
    2.2.1 飞行器对地打击轨迹规划问题描述  20-21
    2.2.2 飞行器对地打击轨迹规划约束条件  21-22
    2.2.3 飞行器对地打击轨迹规划指标  22
  2.3 轨迹规划分层递阶求解方案  22-27
    2.3.1 分层递阶求解框架  23-24
    2.3.2 B 样条曲线  24-26
    2.3.3 微分方程参数化  26-27
  2.4 轨迹规划模型  27-35
    2.4.1 轨迹规划模型的建立  27-28
    2.4.2 飞行器的动力学约束  28-30
    2.4.3 飞行器对地打击任务终端约束  30-31
    2.4.4 飞行机动性能约束  31-32
    2.4.5 威胁约束建模  32-33
    2.4.6 轨迹规划模型分析  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章样板航迹规划  36-52
  3.1 引言  36
  3.2 飞行器机动动作建模  36-41
    3.2.1 基本动作建模  36-37
    3.2.2 基本动作数学描述  37-40
    3.2.3 动作的衔接  40-41
  3.3 战术模板  41-44
    3.3.1 战术模板含义  41-42
    3.3.2 俯冲攻击战术模板  42-43
    3.3.3 侧跃升拉起俯冲攻击战术模板  43-44
  3.4 样板航迹规划算法  44-51
    3.4.1 基于B 样条的样板航迹规划  44-46
    3.4.2 航迹规划算法的终端约束处理  46-50
    3.4.3 航迹规划算法的避障能力  50-51
  3.5 本章小结  51-52
第四章基于微分平坦理论的飞行轨迹生成  52-66
  4.1 引言  52
  4.2 微分平坦理论  52-55
    4.2.1 微分平坦的基本概念  52-53
    4.2.2 微分平坦的性质  53-54
    4.2.3 微分平坦的判定方法  54-55
  4.3 微分平坦系统的轨迹规划  55-58
    4.3.1 基于微分平坦理论的轨迹规划方法描述  55-56
    4.3.2 基于微分平坦理论的轨迹生成步骤  56-57
    4.3.3 飞行器动力学模型平坦属性判定  57-58
  4.4 平坦输出B 样条参数化  58-61
  4.5 参数化系数求解  61-64
    4.5.1 非线性规划  61-62
    4.5.2 轨迹规划参数化系数求解  62-64
  4.6 本章小结  64-66
第五章实验验证与结果分析  66-76
  5.1 引言  66
  5.2 仿真场景想定  66-67
  5.3 仿真验证  67-73
    5.3.1 航迹规划算法验证  67-70
    5.3.2 轨迹规划方法验证  70-73
  5.4 实验结果分析  73-75
    5.4.1 航迹规划实验结果分析  73-74
    5.4.2 轨迹生成实验结果分析  74-75
  5.5 本章小结  75-76
第六章总结与展望  76-78
  6.1 论文工作总结  76-77
  6.2 进一步研究展望  77-78
致谢  78-80
参考文献  80-84
作者在学期间取得的学术成果  84-86
附录A 坐标系及其变换  86-87
  A.1 常用坐标系  86
  A.2 坐标转换矩阵  86-87

基于微分平坦理论的飞行器轨迹规划方法研究

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