[發明專利]飛行器在線序列凸優化中的初始軌跡生成方法及系統

有效

• 申請號: 202011352629.4
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112693631B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 周祥;何睿智;謝磊;張洪波;湯國建;鄭偉
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強;王娟

本發明公開了一種飛行器在線序列凸優化中的初始軌跡生成方法及系統，針對運載火箭一子級回收著陸段制導問題，首先基于固定離散點數目進行第一個規劃周期的初始軌跡生成；其次，確定當前規劃周期進行在線序列凸優化的時間范圍，包括初始時間和終端時間，對該時間范圍進行離散化；若前一個規劃周期可得到有效的參考軌跡，則由該參考軌跡進行線性插值；否則，以前倒數第二個規劃周期的參考軌跡進行線性插值，從而得到上述時間范圍內每一個離散點處的狀態量；最后，基于這些離散點處狀態量構成當前規劃周期內進行在線序列凸優化的初始軌跡。本發明能有效解決因初始軌跡誤差較大導致的在線序列凸優化算法收斂速度慢的問題。

技術領域

本發明涉及飛行器制導控制技術領域，特別是一種在線序列凸優化中的初始軌跡生成方法及系統。

背景技術

運載火箭子級回收技術是實現發動機可重復使用，降低太空進入成本的關鍵技術之一。垂直著陸段是回收過程的最后一個階段，該段采用變推力發動機進行控制以實現火箭定點著陸，這對制導方法的魯棒性和可靠性提出了更高的要求。目前較為成功的制導方案是基于參考軌跡在線生成的制導方法，該方法在每一個規劃周期內根據當前狀態進行參考軌跡的在線生成，對干擾因素的適應性更廣，且提高了制導方法的魯棒性。這種制導方法的核心是參考軌跡的在線生成，目前具備在線應用潛力的軌跡規劃方法主要是序列凸化方法，該方法充分利用凸優化問題求解的快速性，在給定一條初始軌跡和離散點數目等條件下，基于當前狀態進行參考軌跡的在線規劃。初始軌跡的選擇將直接影響序列凸化的收斂速度和精度，從而影響參考軌跡的更新頻率和精度，最終體現在對制導方法性能的影響上。傳統的初始軌跡基于線性假設得到，即認為所有運動狀態量都是線性變化，這種方法得到的初始軌跡由于不滿足動力學約束，與真實軌跡偏差較大，所以序列凸化的收斂速度較低，甚至不收斂，其主要應用于對收斂速度要求不高的離線序列凸化中，難以滿足在線序列凸化對收斂速度的要求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種在線序列凸優化中的初始軌跡生成方法及系統，解決基于線性假設的初始軌跡生成方法容易導致序列凸化收斂速度慢甚至不收斂的問題，實現在線序列凸化的快速收斂。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種飛行器在線序列凸優化中的初始軌跡生成方法，包括：

在第一個規劃周期內，采用線性假設方法生成初始軌跡；

從第二個規劃周期開始，基于最近一次規劃成功的參考軌跡確定當前周期用于在線序列凸優化的初始軌跡。

本發明提出一種在線序列凸優化中的初始軌跡生成方法，該方法僅在第一個規劃周期內采用線性假設生成初始軌跡，從第二個周期開始，基于最近一次規劃成功的參考軌跡確定當前周期用于在線序列凸優化的初始軌跡。這種方法有效提高了后續規劃周期內生成初始軌跡的精度，減少了序列凸化迭代次數，提高了收斂速度，同時制導精度可以得到保證。

在第一個規劃周期內，采用線性假設方法生成初始軌跡的具體實現過程包括：

設從當前狀態到終端狀態S_f的位置速度隨時間線性變化，從當前狀態到終端狀態S_f的時間范圍內各個均勻離散時刻為上標1表示第1個規劃周期，下標表示離散時刻序號，N為離散點數目，則當前規劃周期的初始軌跡為令規劃周期序號k＝1，其中為位置x方向分量在不同離散時刻處的取值，為位置y方向分量在不同離散時刻處的取值，為位置z方向分量在不同離散時刻處的取值，為速度x方向分量在不同離散時刻處的取值，為速度y方向分量在不同離散時刻處的取值，為速度z方向分量在不同離散時刻處的取值，上述位置分量和速度分量的下標均表示離散點序號，當前狀態終端狀態S_f＝[0 0 0 0 0 0]^Τ。采用線性假設的初始軌跡生成方法具有工程實現簡單、計算量小等優勢。

取值為0，根據火箭子級回收垂直著陸段動力學特性分析，將取值范圍設置為20～60s可以包含絕大部分著陸段飛行時間，以此確保通過在線序列凸優化算法可以成功規劃出可行參考軌跡。