[發明專利]約束全程滿足的高超聲速飛行器繞障飛行最優控制系統

有效

• 申請號: 201911149068.5
• 申請日: 2019-11-21
• 公開（公告）號: CN111123700B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 呂露;馬衛華;張志猛;葉松;張澤銀;鄭總準;劉興高
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了約束全程滿足的高超聲速飛行器繞障飛行最優控制系統，用于對飛行器在特定條件下(指定航點、規避禁飛區等)的軌跡進行控制。所述的約束全程滿足的高超聲速飛行器繞障飛行最優控制系統由飛行器傳感器，飛行器繞障飛行控制器，飛行器運動方程、航點和禁飛區等約束條件、目標函數，飛行器傾斜角最優控制策略構成。高超聲速飛行器從指定初始位置出發后，飛行器繞障飛行控制器自動執行內部的優化算法，得到使高超聲速飛行器在全程滿足所有飛行約束條件的前提下，飛行時間最短的軌跡優化傾斜角最優控制策略。本發明能夠根據高超聲速飛行器不同的飛行經度、飛行緯度、速度和飛行航向角快速地得到軌跡優化控制策略，使高超聲速飛行器獲得最短飛行時間。

技術領域

本發明涉及高超聲速飛行器繞障飛行軌跡優化領域，尤其涉及約束全程滿足的高超聲速飛行器繞障飛行最優控制。在高超聲速飛行器從指定初始位置出發后能夠給出高超聲速飛行器軌跡優化控制策略并轉換為飛行器傾斜角控制指令，在全程滿足所有約束條件的前提下，使高超聲速飛行器獲得更短的飛行時間。

背景技術

高超聲速飛行器是飛行速度大于5Ma的臨近空間飛行器，可以實現全球快速精準打擊和到達任務，其相關技術受到了全球軍事強國的廣泛關注，已經成為了世界航空航天領域一個極其重要的發展方向。高超聲速飛行器以其極高的飛行速度和大跨度的飛行距離在軍事戰略上具有十分重要的意義，并日益受到世界各國的高度重視。

在高超聲速飛行器的研究中，為了滿足特定的包括指定飛行航點(完成軍事偵察或空中加油任務)和規避禁飛區(軍事敏感地帶)等軍事要求，大量的國內外學者投身到高超聲速飛行器繞障飛行的課題中，研究如何在全程滿足所有約束條件的前提下，更快、更準地完成指定飛行任務，進一步提高高超聲速飛行器的打擊速度和打擊精度。因此，高超聲速飛行器繞障飛行最優軌跡設計問題越來越受到國內外軍事強國的關注，是當前國內外研究的熱點和難點。

發明內容

為了使高超聲速飛行器飛行時間更短，提高高超聲速飛行器的打擊范圍，本發明的目的在于提供一種計算速度快、計算效率高、計算精度高，能夠全程滿足所有約束、實現最優的約束全程滿足的高超聲速飛行器繞障飛行最優控制系統。高超聲速飛行器繞障飛行軌跡優化問題飛行過程可以用數學模型描述為：

其中，t表示時間，t₀表示高超聲速飛行器繞障飛行軌跡優化問題飛行過程起始時間，t_f表示高超聲速飛行器繞障飛行跡優化問題飛行過程結束時間，且t_f不固定；被稱為狀態向量，依次表示飛行器飛行經度、飛行器飛行緯度、飛行器速度、飛行器飛行航向角等物理參數，n_x為狀態變量的維度，這里n_x＝4。x₀是狀態向量的初始值，是其一階導數；u(t)表示高超聲速飛行器的傾斜角控制量，為本問題的控制變量，u_l、u_u分別為其下限值和上限值；是根據能量守恒以及力學原理建立的微分方程組；G[u(t),x(t),t]是高超聲速飛行器繞障飛行過程中必須滿足的不等式路徑約束條件。

對于高超聲速飛行器繞障飛行過程，使飛行時間最短的數學模型可表示為：

該問題本質上是一個最優控制問題。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種約束全程滿足的高超聲速飛行器繞障飛行最優控制系統，它由飛行器傳感器和飛行器繞障飛行控制器通過數據總線相連構成。所述飛行器繞障飛行控制器由信息采集模塊、初始化模塊、離散化模塊、非線性規劃問題求解模塊和結果顯示模塊依次相連組成。

所述約束全程滿足的高超聲速飛行器繞障飛行最優控制系統的運行過程如下：

步驟1)：在飛行器繞障飛行控制器中輸入對應于該飛行器的運動方程、航點和禁飛區等約束條件、目標函數；