[發明專利]一種基于路徑點優選的飛行器禁飛區規避軌跡規劃方法

有效

• 申請號: 202110301263.6
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113093789B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 張冉;張源;李惠峰
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種基于路徑點優選的飛行器禁飛區規避軌跡規劃方法，其特征在于：其具體步驟如下：

步驟一、路徑點優選方案設計；

基于各禁飛區的相對位置設計虛擬路徑點，建立有向圖模型，遍歷飛行器可行的繞飛路徑，對每條路徑進行路徑點跟蹤制導，并仿真得到路徑評價指標，將指標最優的路徑作為路徑點優選的方案；

步驟二、橫縱向飛行剖面設計；

根據飛行器所需經過的路徑點序列，分割滑翔軌跡，分段設計飛行剖面，在每段中將縱向運動與橫向運動解耦處理，對于縱向剖面，設計阻力加速度-速度剖面，得到待飛航程解析式，根據每段軌跡的航程需求求解剖面參數，對于橫向飛行剖面，根據飛行器的橫程預估，計算傾側角反轉點位置，從而經過路徑點；

步驟三、設計剖面跟蹤控制律與制導邏輯；

合理分配分段點速度值，使得每段縱向剖面參數相同，采用前饋加反饋的策略在線跟蹤阻力加速度-速度剖面，給定攻角剖面，將傾側角作為主控制量，通過傾側角幅值跟蹤縱向飛行剖面，符號控制橫程；

在步驟一中所述的路徑點優選方案設計，其具體作法如下：

首先，基于各禁飛區的相對位置設計虛擬路徑點，對每個禁飛區分別建立上、下兩個節點，作為路徑的決策點及拐點，反映是從禁飛區上方還是下方繞過；

其次，建立有向圖模型，選擇能串行依次繞過的禁飛區放入一個列表中，所有可能的串行線形成一個多維列表；連接起點與每一個串行線中禁飛區上下的節點，相鄰兩禁飛區上下的節點、目標點之間的連線，形成所有的有向邊，刪除重復邊后完成有向圖建模；

然后，使用圖搜索方法對從起點到終點的所有路徑進行遍歷，得到飛行器可行的所有繞飛路徑；

然后，對每條路徑進行路徑點跟蹤制導，基于飛行器的運動模型規劃現有路徑；

最后，根據各路徑指標排序則能得到性能指標最好的一條路徑，該路徑所對應的路徑點序列即路徑點優選方案；

在步驟二中所述的橫縱向飛行剖面設計，其具體作法如下：

首先，根據路徑點序列，分割滑翔軌跡，分段設計飛行剖面；在再入無動力滑翔飛行中，飛行器橫縱向飛行能量非線性較強，需合理分配橫縱向飛行能力，每段飛行軌跡橫程變化范圍小，方便對縱向運動和橫向運動進行解耦處理，減小解析公式推導過程中的動力學簡化帶來的模型誤差；

然后，設計阻力加速度-速度剖面，基于小量假設，將縱向運動與橫向運動解耦處理，推導待飛航程解析式，根據每段軌跡的航程需求求解剖面參數，以滿足航程和速度、高度諸終端約束以及熱流率、過載、動壓諸過程的約束；

然后，基于縱向航程預估設計的剖面，推導飛行器橫程預估的解析表達式，對于每段軌跡，設計一個傾側角反轉點，使得飛行器能夠經過路徑點，避開禁飛區；

在步驟三中所述的設計剖面跟蹤控制律與制導邏輯，其具體作法如下：首先，根據路徑點個數將軌跡分為幾段，給定初始分段點速度分配值，根據航程預估解析公式確定阻力加速度剖面，更新速度分配值使得每段剖面參數相同，避免剖面變化大導致控制量長時間飽和；

然后，采用傾側角和攻角兩個控制量，傾側角為主控制量，攻角采用標稱剖面；攻角剖面的設計考慮任務橫向機動能力需求，飛行器氣動加熱環境及飛行姿態的穩定與控制因素；采用小攻角變化率的飛行策略能夠最大程度減小飛行器流場變化，進而減小飛行器上氣動加熱分布情況的變化；

通過對傾側角的控制完成縱程與橫程的控制；傾側角的幅值用來控制飛行器的航程，采用“前饋+反饋”的控制策略完成整個再入過程時變軌跡的跟蹤控制，前饋用來跟蹤參考阻力加速度剖面，反饋用來穩定跟蹤誤差；傾側角符號用來控制飛行器相對目標點的航向誤差，通過反轉傾側角來減小橫向與視線偏角的誤差；

最后，以速度到達終端速度作為停機條件，則得到最終的剩余航程，依據剩余航程偏差情況反向調整縱向初始高度和攻角剖面，直到滿足要求為止。