多约束条件下的无人作战飞行器在线三维航迹规划.pdf-资料库

一 , , , 多约束条件下的无人作战飞行器在线三维航迹规划与跟踪控制研究黄汉桥 , 黄长强 , 赵辉 , 曹林平 , 翁兴伟空军工程大学航空航天工程学院 , 西安一摘要本文首先建立了无人作战飞行器数学模型 , 设计了航迹规划的代价函数 , 在考虑航迹规划的多种约束条件下 , 给出了航迹节点扩展方法 , 提出了三维航迹规划算法和在线三维航迹再规划算法 , 根据动态战场环境 , 生成了满足作战需求的在线实时三维航迹 , 并利用三次样条方法进行了航迹的平滑处理。结合无人飞行器动力学模型 , 利用滑模变结构控制实现了无人作战飞行器航迹倾角、航迹偏角和速度的跟踪 , 并解算出控制量 , 最后进行了数字仿真。仿真结果表明 , 所生成的在线三维实时航迹能够满足作战需求 , 设计的航迹跟踪控制器具有强鲁棒性 , 能实现对期望航迹的精确跟踪。关键字多约束在线实时航迹规划跟踪控制一一〕一 , 〕一 , , 一 , 一巧一 , ’ , , 一一巧一 , 一、恻】〕巧山 , 田〕一巧日一 , 认 , 一 , , 旦巧〕 , 田〕巧传统的航迹规划都是假设规划空间的各种地形、地物以及威胁信息是己知的 , 飞行器的初始位置及目标位置也都事先给出 , 然后生成最优参考航迹。很少考虑无人飞行器按照参考最优航迹的跟踪控制性能和突发情况的局部航迹的重规划。但是在现代复杂的战场环境中 , 战场环境实时动态变化 , 在突发威胁等情况下很难获得全局环境的准确信息且以无人作战飞行器常常需要临时执行一些紧急的飞行任务。因此 , 为了顺利完成作战任务 , 无人飞行器都应具备在线自适应航迹规划与再规划的能力。针对以上问题 , 本文深入研究了在线三维航迹规划和再规划问题 , 并考虑航迹动力约束、边界约束以及过载等约束 , 对己经生成的航迹点进行光滑处理 , 解算出航迹倾角、偏角以及过载等 , 最后运用滑模变结构控制方法设计了飞行器对规划航迹的跟踪控制系统 , 实现了对法向过载和速度方案的期望输出。无人作战飞行器数学模型下面给出无人作战飞行器的自由度运动方程 , 在进行飞行器航迹跟踪设计时 , 有以下假设

假设飞行器控制系统理想 , 在航迹跟踪时可式中 , 幻为沿着航迹从君到几的总代价。忽略姿态控制过程航迹规划的性能指标选择假设飞行器攻角和侧滑角均为小量在速度变化方程中 , 将诱导阻力作为干扰项。质心运动的动力学方程为一二尸才耐丝故卢一光一刀臼外刀外了外一外一一。。 “鲁一了外外 ‘一‘·二一‘·刀。。二 , 令速度倾斜角片一。 , 由空气动力学知气动力中升力和侧力可表示为尤尤。尤 “ 。尤切了了“ 。了几氏一刀刀占夕气可得 —故耐丝故刀一万。一万一万刀刀一吧尸了“ 了凡一吧一。。 “争。。 ‘·刀· 刀· 弓、以在线三维航迹规划与再规划研究 , 航迹表示方法三维航迹规划的目的是要获得无人作战飞行器在三维空间中的飞行轨迹 , 生成的航迹可表示为三维空间的一系列的点 , 相邻航迹点之间用直线段连接。如图所示 , 航迹的每一个节点可用 , , 幼表示 , , , 为三维空间坐标 , 乓记录该节点是否满足所有约束条件和连接该节点与下一节点之间的航迹段是否可行。 , , , , 、叫料川小叫粉 · 刊二小 …引图航迹的节点表示方法航迹代价函数航迹优化问题实质上是在网络节点中寻找由起点君到终点几 , 使代价函数最小的航迹段。用几表示月到弓的弧上的代价函数值 , 最优航迹问题为要找到君到几的航迹兄 , 使代价函数最小 , 即幻一艺心愁任兄那一艺琳 , 一巧 , , 式中那为选择的突防航迹广义代价函数 , 州 , 为航路心的威胁代价 , 岭 , 、为航路心的油耗代价 , 系数为威胁代价和油耗代价的权重系数。十威胁一威胁 ‘夕威胁图威胁代价的计算示意图威胁代价哄 , 、按下式计算白共一坎只 , 命·希·右·希·亡, 一一式中人为第条边的长度 , 为雷达、导弹等威胁阵地的数目 , 心、代表当巡航导弹在第条边班。处距第个威胁点的距离。当无人机以某一规定速度飞行时 , 可以简单地认为油耗代价与航程成正比 , 有如下关系吟 , , 一乓。算法基本原理 ‘ , 算法是将地形平滑处理技术融合到路径选择过程中 , 在计算航迹代价函数之前 , 通过对节点的选择处理从而满足各种约束要求 , 使得生成的航迹更合理。如何根据多约束条件来扩展节点是算法的关键。假设厂是从初始节点出发 , 经过节点。到达目标节点的最小代价值。有 ‘ 一 ‘ 人其中 , ‘ 。为初始节点到节点。的最小代价值 , 矿是节点。到目标节点的最小代价值。多约束条件下节点扩展方法如下航迹距离约束航迹距离约束保证飞行器在某一固定时间内飞行距离必须小于预先设置的最大距离气二 , 假设给定一个节点 , 只有满足二凡。三气其中气是从起始点到当前节点的真实距离 , 凡。是从节点到目标的直线距离。最小航迹段长度、最大拐弯角和最大爬升

对期望航迹的精确跟踪。参考文献「郑昌文 , 严平 , 丁明跃等飞行器航迹规划研究现状与趋势宇航学报 , , 一一「苏菲 , 彭辉等基于协进化多子群蚁群算法的多无人作战飞机协同航迹规划研究兵工学报 , , 一「李春华 , 郑昌文 , 周成平一种三维航迹快速搜索方法宇航学报 , , 一一「柳长安无人机航路规划方法研究博士学位论文西安西北工业大学 , 「秦硕 , 朱凡等多协同路径规划研究系统仿真学报 , , 」 , 一】〕一 , , , , 脚丫们 , , 一【」止 , 钊玛一「周凤岐等现代控制理论及其应用西安西北工业大学出版社 , 一

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