[發明專利]一種基于路徑優選的飛行器繞多禁飛區軌跡優化方法

有效

• 申請號: 202110301974.3
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN112965532B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 李惠峰;張源;張冉;侯忻宜
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/12
• 分類號: G05D1/12
• 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

本發明提供一種基于路徑優選的飛行器繞多禁飛區軌跡優化方法，其具體步驟如下：步驟一、建立路徑優選問題模型；步驟二、路徑選擇與規劃；步驟三、建立禁飛區規避軌跡優化的凸優化問題；步驟四、基于優選路徑設計初始猜想，采用模型補償方法迭代求解凸優化問題。通過以上步驟，可以提前規劃一條優選的路徑來指導初始猜想的選擇，將最優解鎖定在全局最優解附近，基于凸優化方法進行繞多禁飛區的軌跡優化，避免了凸優化求解多禁飛區軌跡優化問題時因依賴初始猜想陷入局部最優的現象；本發明所述方法科學，工藝性好，具有廣闊推廣應用價值。

技術領域

本發明提供一種基于路徑優選的飛行器繞多禁飛區軌跡優化方法，屬于航空航天技術中的軌跡規劃領域。

背景技術

飛行器高超聲速飛行必須滿足復雜的約束條件，如熱流率、動壓、過載約束和終端約束等，也包括自然、軍事等因素造成的復雜禁飛區約束。禁飛區是一種路徑約束，禁飛區的數量越多、構型越復雜，飛行器在軌跡優化過程中的路徑約束就越多，優化的解算難度就越大。

在現有文獻中，基于凸優化的軌跡優化方法由于計算速度快，具有在線應用的潛力，因此得到了較為廣泛的應用。但是，高超聲速飛行器在大氣層內飛行時，其運動模型中包括非線性的氣動力和推力，因此離散化后的優化問題是非凸的。傳統的做法是將非線性模型在參考軌跡處線性化，得到凸優化子問題，再進行外環迭代求解。然而，當模型中包含禁飛區約束時，禁飛區布置會引入眾多局部最優解，使其優化結果往往與初始猜想具有相同的禁飛區規避策略，因此，初始猜想軌跡的路徑選擇將直接影響最終結果的全局最優性。然而，現有方法對于初始猜想的給定缺乏通用性，忽略了上層決策問題，為了提升軌跡的優化效果，需要進行路徑選擇和預規劃，指導凸優化的初始猜想。

綜上所述，本發明基于一種飛行器繞多禁飛區路徑決策與規劃方法，為軌跡優化提供一條初始軌跡，并對該禁飛區規避問題進行凸化求解，最終得到一條最優軌跡。該方法具有一定獨創性。

發明內容

(一)本發明的目的

本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種基于路徑優選的飛行器繞多禁飛區軌跡優化方法，旨在為優化模型尋找一條預規劃的初始猜想軌跡，并基于凸優化方法得到飛行器規避禁飛區的最優軌跡。

(二)技術方案

本發明提供一種基于路徑優選的飛行器繞多禁飛區軌跡優化方法，其具體步驟如下：

步驟一、建立路徑優選問題模型；

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，使用深度優先遍歷方法對從起點到終點的所有路徑進行遍歷，得到飛行器可行的繞飛路徑；

步驟二、路徑選擇與規劃；

對每條路徑進行路徑點跟蹤制導，基于飛行器的運動學模型規劃現有路徑，并根據凸優化需求選擇路徑評價指標，得到指標最優的路徑，作為參考軌跡的策略選擇；

步驟三、建立禁飛區規避軌跡優化的凸優化問題；

將非凸非線性的運動模型和過程約束在參考軌跡處進行一階泰勒展開線性化，并將問題離散轉化為一系列凸子問題；

步驟四、基于優選路徑設計初始猜想，采用模型補償方法迭代求解凸優化問題；

將優選路徑得到的最優路徑作為設計凸優化初始猜想的繞飛策略，在之后的序列迭代過程中，將上一次優化結果作為本次線性化的參考軌跡，以此對模型進行補償；當滿足收斂條件時，停止求解；

其中，在步驟一中所述的“深度優先遍歷方法”，是指圖論中一個針對圖和樹的經典遍歷方法，為公知技術；

其中，在步驟二中所述的“路徑點跟蹤制導”，是指以最小化路徑點跟蹤的能量消耗為優化目標，基于飛行器的運動學模型推導得到的解析制導指令表達式，為公知技術；