基于微分平坦理论的飞行器轨迹规划方法研究

作为任务规划技术的重要内容,轨迹规划技术有利于提高飞机的飞行品质以满足既定任务要求,能够有效提高作战飞机对地打击的成功率。飞行器轨迹规划可以抽象为一个包含微分方程、代数方程和不等式约束条件下求解泛函极值的最优控制问题,直接求解的难度很大。 论文为了降低问题的复杂度,针对轨迹规划中的动力学微分方程这一非完整性约束,引入了微分平坦理论,提出了一种分层递阶规划求解方法——在基于B样条的样板航迹规划的基础上,根据微分平坦理论将最优控制问题转化为非线性规划进行求解,保证了生成轨迹的可执行性。论文的主要研究内容如下: 1、问题分析与建模。对飞行器对地打击任务进行了深入分析,总结了轨迹规划中所涉及的各种约束条件,并提出了相应的指标,在此基础上,对轨迹规划进行了最优控制形式的一般化描述,建立了以过载和滚转角为控制量的动力学模型、威胁模型等作为轨迹规划的约束条件,为进一步研究轨迹规划方法奠定了基础。 2、样板航迹规划技术研究。通过对飞行器对地打击任务中惯常采用的战术机动进行分析,从中提炼出一系列基本动作和空对地打击的一般模式(即战术模板)。论文选取两种典型的对地打击战术模板,进行了基本动作分解和参数化模型描述。在此基础上,研究了基于B样条的样板航迹规划,提出了一个能满足终端约束的避障航迹规划算法,从而为后续的轨迹生成提供了技术支撑。 3、基于微分平坦理论的轨迹生成研究。针对具有非完整性约束的飞行器轨迹规划问题,设计了基于微分平坦理论的轨迹生成步骤。并对飞行器的动力学和运动学模型进行了平坦属性的判定,确定了平坦输出。在基于B样条的样板航迹规划的基础上,使用B样条参数化平坦输出,将最优控制问题转化为一般非线性规划问题,保证了生成轨迹的可执行性,同时降低了问题求解难度。 通过在项目中的应用,该方法能满足平台本身的非完整性约束、战术终端约束等各种约束条件,并科学地将飞行器对地打击任务中战术和技术进行有机结合,较好地解决了飞行器对地打击任务中轨迹规划问题。