一种基于天牛群算法的一子级伞控回收航迹规划方法技术

本发明专利技术提供了一种基于天牛群算法的一子级伞控回收航迹规划方法，建立系统航迹规划简化质点模型，建立对应航迹的几何关系，在分段归航的基础上，建立一子级归航航迹多目标函数约束条件，满足一子级落点精度之后对归航过程系统能量损耗进行约束，并在多目标寻优的过程中增加了盘旋阶段盘旋圈数的寻优，将基于天牛须搜索的粒子群优化算法(BSO)引入一子级回收航迹规划当中。本发明专利技术建立简化的系统航迹规划质点模型，计算简单，在工程上易于实现，保证一子级落点精度之后对归航过程系统的能量损耗进行约束，加快了一子级回收航迹规划中参数寻优的收敛速度和收敛稳定性，提高最优参数的求解精度，使一子级精准回收的同时，能量损耗达到最少。

【技术实现步骤摘要】
一种基于天牛群算法的一子级伞控回收航迹规划方法
本专利技术涉及航天器回收航迹规划
，尤其是一种回收航迹规划方法。
技术介绍
各国正在相互科技竞争的当下，我国航天事业的发展已经取得了非常显著的成绩，航天发射活动、发射频次位居世界前列。但是通常分离体残骸以非自主式的方式进行落区控制存在较大的安全隐患，会带来较大的人力物力成本浪费，航天发射活动的频次和灵活性也会受到诸多限制，无法满足未来火箭低成本灵活发射的要求。这些对运载火箭分离体落点控制技术提出了新的要求。考虑到回收系统需要具备一定的机动可控能力，人们开始把注意力转移到跳伞运动中常用的翼伞(也称可控翼伞)上来。通过翼伞系统来回收火箭一子级，相当于给一子级配置了“柔性机翼”，利用翼伞系统的可控性和高滑翔特性使一子级精准、安全降落在指定区域内。2020年3月9号，航天科技集团也进行了翼伞落区控制的初步验证工作。我国众多学者采用分段归航策略对翼伞系统轨迹进行规划，利用各段轨迹的几何关系，将轨迹优化问题转化为参数寻优问题求解，实现了空投物投放过程中的航迹设计。以上的设计仅考虑了盘旋阶段为不完整圆的可能性，对于高空冗余很多的情况下都是基于降低高度设计出来的，对于降低高度后的一子级航迹保证了一子级的落点精度，但翼伞系统能量损耗过多的问题并没有很好的解决，需要进一步的完善，以使一子级精准回收的同时减少系统能量损耗。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于天牛群算法的一子级伞控回收航迹规划方法，改进了现有航迹规划方法中对于高度冗余很多的情况下的规划设计问题，实现了对于落地精度以及能量消耗的双方面最优。本专利技术在一子级-翼伞系统六自由度模型的基础上，建立系统航迹规划简化质点模型，将一子级归航航迹划分为径向飞行段、盘旋削高段、逆风接近段、雀降段四个阶段，建立对应航迹的几何关系；然后，在分段归航的基础上，建立一子级归航航迹多目标函数约束条件，满足一子级落点精度之后对归航过程系统能量损耗进行约束，并在多目标寻优的过程中增加了盘旋阶段盘旋圈数的寻优，将基于天牛须搜索的粒子群优化算法(BSO)引入一子级回收航迹规划当中，加快航迹规划过程参数寻优的收敛速度和稳定性，提高最优参数的求解精度，使一子级精准回收的同时能量损耗达到最少。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：步骤1、建立一子级-翼伞系统归航过程六自由度数学模型，系统的十二个微分方程如下：一子级-翼伞系统动力学方程：一子级-翼伞系统角运动方程如下：一子级-翼伞系统的姿态角与角速度之间关系如下：一子级-翼伞系统质心在地面坐标系中的位置关系如下：其中，一子级-翼伞系统总质量m＝mw+mc+mf，mw,mc,mf分别为火箭一子级质量、翼伞质量和系统附加质量；Fn,Fa,Fz分别为一子级翼伞系统沿三轴的力；x,y,z分别是一子级-翼伞系统三轴的位移；分别表示一子级翼伞系统在地面坐标系下的沿三轴的速度；u,v,w分别表示一子级-翼伞速度在体坐标系内沿x轴、y轴、z轴的速度分量；分别表示一子级-翼伞速度在体坐标系内沿x轴、y轴、z轴的加速度分量；p、q、r分别是一子级-翼伞绕x轴、y轴和z轴的角速度分量；分别表示一子级翼伞在机体系下沿三轴的角速率；θ、ψ分别是一子级-翼伞的滚转角、俯仰角、偏航角；分别为一子级翼伞系统的滚转角变化率、俯仰角变化率、偏航角变化率；(Ixx、Iyy、Izz),(L、M、N),(Mx、My、Mz)分别为系统在x轴、y轴和z轴上的转动惯量、气动力矩和重力力矩，g表示重力加速度；在翼伞系统控制下，火箭一子级做稳定滑翔运动，在受到重力和气动力的平衡作用后，系统水平飞行速度vl和垂直下降速度vz保持不变，此时，将一子级-翼伞系统六自由度模型简化为质点模型，取坐标系为大地坐标系，坐标原点为航迹规划的目标点，得到的系统质点模型为，其中，ψ，分别为一子级-翼伞系统飞行过程中的转弯角度和转弯角速度，u表示系统控制量；步骤2、结合一子级-翼伞系统模型仿真获取的系统飞行特性，对一子级回收航迹进行划分，将归航航迹划分为径向飞行段、盘旋削高段、逆风着陆段、雀降段四个过程，其中径向飞行段指一子级翼伞系统无控制量作稳定滑翔飞行阶段，盘旋削高段指一子级翼伞系统单侧下偏使系统围绕一个圆心做圆盘旋运动，逆风着陆段指调整一子级翼伞系统的单侧下偏量使得系统能转向到逆风的方向实现逆风进入，雀降段指系统做滑翔状态到达指定目标点的阶段；步骤3、建立一子级回收过程各段航迹的位置和长度的几何关系；从航迹初始点到径向飞行段BC的起点之间的过渡圆弧圆心坐标O1为：其中，xo1表示圆心O1的横坐标，yo1表示圆心O1的纵坐标；x0表示航迹起始点的横坐标，y0表示航迹起始点的纵坐标；α1表示为初始速度与风向的夹角，风向与地面坐标系x轴重合，为初始速度与x轴的夹角，x轴向上为正，x轴向下为负；B点表示翼伞系统从初始方向转到径向飞行段的过渡圆弧段终点，C点表示系统进入盘旋阶段之前过渡圆弧段的起点，径向飞行段的位移即BC之间的距离为：式(7)中O2表示径向飞行段结束后的过渡圆弧段对应的圆心，径向飞行阶段BC与地面坐标系X轴正向夹角为：其中表示BC段的矢量线段，即分别用点C的横纵坐标减去点B的横纵坐标得出的矢量，表示的横坐标，表示的纵坐标；圆心为O1的圆弧对应的圆心角β1为：在盘旋削高阶段前，径向飞行段结束后的过渡圆弧段对应的圆心O2坐标为：径向飞行段结束后的过渡圆弧段的两个端点分别为C和D，其中C为径向飞行段的终点，D为顺时针过渡圆弧的结束点，过渡圆弧CD对应的圆心角β2为：其中，s取为1或-1，1代表过渡圆弧为逆时针，-1代表过渡圆弧为顺时针，航迹规划中的过渡圆弧为顺时针旋转，取s为-1；圆弧CD对应的圆心角β3为：β3＝-α3-s×θep，若β3＜0，β3＝β3+2π(13)在逆风接近阶段，过渡圆弧EF的夹角β4为：其中，Rmin表示一子级回收航迹中AB段、CD段、EF段的转弯半径；β1，β2，β4分别表示一子级返回航迹中转弯段对应的圆弧段对应的圆心角的弧度；Rep表示盘旋阶段DE的盘旋半径；β3表示盘旋阶段对应的圆弧段弧度；θep表示盘旋削高阶段的方位角；α0表示初始位置对应的方位角；步骤4、一子级回收航迹规划的关键是盘旋削高阶段的进入点D的确定；根据一子级-翼伞系统的质点模型以及评价航迹的标准，即实现着陆点与目标点距离最近，建立目标函数为：其中，表示一子级返回中滑翔段在水平面内投影的距离，2kπ·Rep表示为盘旋阶段过程中盘旋的整圆圈数的总距离，k为正整数，f为一子级-翼伞系统稳定飞行时的滑翔比，z0为翼伞系统开始工作时一子级的高度；F1表示一子级着陆时的偏差，即设计的一子级航迹的水平飞行距离与定滑翔比条件下初始高度对应的水平飞行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于天牛群算法的一子级伞控回收航迹规划方法，其特征在于包括下述步骤：/n步骤1、建立一子级-翼伞系统归航过程六自由度数学模型，系统的十二个微分方程如下：/n一子级-翼伞系统动力学方程：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于天牛群算法的一子级伞控回收航迹规划方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1、建立一子级-翼伞系统归航过程六自由度数学模型，系统的十二个微分方程如下：
一子级-翼伞系统动力学方程：



一子级-翼伞系统角运动方程如下：



一子级-翼伞系统的姿态角与角速度之间关系如下：



一子级-翼伞系统质心在地面坐标系中的位置关系如下：



其中，一子级-翼伞系统总质量m＝mw+mc+mf，mw,mc,mf分别为火箭一子级质量、翼伞质量和系统附加质量；Fn,Fa,Fz分别为一子级翼伞系统沿三轴的力；x,y,z分别是一子级-翼伞系统三轴的位移；分别表示一子级翼伞系统在地面坐标系下的沿三轴的速度；u,v,w分别表示一子级-翼伞速度在体坐标系内沿x轴、y轴、z轴的速度分量；分别表示一子级-翼伞速度在体坐标系内沿x轴、y轴、z轴的加速度分量；p、q、r分别是一子级-翼伞绕x轴、y轴和z轴的角速度分量；分别表示一子级翼伞在机体系下沿三轴的角速率；θ、ψ分别是一子级-翼伞的滚转角、俯仰角、偏航角；分别为一子级翼伞系统的滚转角变化率、俯仰角变化率、偏航角变化率；(Ixx、Iyy、Izz),(L、M、N),(Mx、My、Mz)分别为系统在x轴、y轴和z轴上的转动惯量、气动力矩和重力力矩，g表示重力加速度；
在翼伞系统控制下，火箭一子级做稳定滑翔运动，在受到重力和气动力的平衡作用后，系统水平飞行速度vl和垂直下降速度vz保持不变，此时，将一子级-翼伞系统六自由度模型简化为质点模型，取坐标系为大地坐标系，坐标原点为航迹规划的目标点，得到的系统质点模型为，



其中，ψ，分别为一子级-翼伞系统飞行过程中的转弯角度和转弯角速度，u表示系统控制量；
步骤2、结合一子级-翼伞系统模型仿真获取的系统飞行特性，对一子级回收航迹进行划分，将归航航迹划分为径向飞行段、盘旋削高段、逆风着陆段、雀降段四个过程，其中径向飞行段指一子级翼伞系统无控制量作稳定滑翔飞行阶段，盘旋削高段指一子级翼伞系统单侧下偏使系统围绕一个圆心做圆盘旋运动，逆风着陆段指调整一子级翼伞系统的单侧下偏量使得系统能转向到逆风的方向实现逆风进入，雀降段指系统做滑翔状态到达指定目标点的阶段；
步骤3、建立一子级回收过程各段航迹的位置和长度的几何关系；
从航迹初始点到径向飞行段BC的起点之间的过渡圆弧圆心坐标O1为：



其中，xo1表示圆心O1的横坐标，yo1表示圆心O1的纵坐标；x0表示航迹起始点的横坐标，y0表示航迹起始点的纵坐标；α1表示为初始速度与风向的夹角，风向与地面坐标系x轴重合，为初始速度与x轴的夹角，x轴向上为正，x轴向下为负；B点表示翼伞系统从初始方向转到径向飞行段的过渡圆弧段终点，C点表示系统进入盘旋阶段之前过渡圆弧段的起点，径向飞行段的位移即BC之间的距离为：



式(7)中O2表示径向飞行段结束后的过渡圆弧段对应的圆心，径向飞行阶段BC与地面坐标系X轴正向夹角为：



其中表示BC段的矢量线段，即分别用点C的横纵坐标减去点B的横纵坐标得出的矢量，表示的横坐标，表示的纵坐标；
圆心为O1的圆弧对应的圆心角β1为：

若β1≤0，β1＝β1+2π；若β1＞0,β1＝β1(9)
在盘旋削高阶段前，径向飞行段结束后的过渡圆弧段对应的圆心O2坐标为：



径向飞行段结束后的过渡圆弧段的两个端点分别为C和D，其中C为径向飞行段的终点，D为顺时针过渡圆弧的结束点，过渡圆弧CD对应的圆心角β2为：

若β2≤0，β2取β2+2π；若β2＞0，β2＝β2(11)



其中，s取为1或-1，1代表过渡圆弧为逆时针，-1代表过渡圆弧为顺时针，航迹规划中的过渡圆弧为顺时针旋转，取s为-1；
圆弧CD对应的圆心角β3为：
β3＝-α3-s×θep，若β3＜0，β3＝β3+2π(13)



在逆风接近阶段，过渡圆弧EF的夹角β4为：



其中，Rmin表示一子级回收航迹中AB段、CD段、EF段的转弯半径；β1，β2，β4分别表示一子级返回航迹中转弯段对应的圆弧段对应的圆心角的弧度；Rep表示盘旋阶段DE的盘旋半径；β3表示盘旋阶段对应的圆弧段弧度；θep表示盘旋削高阶段的方位角；α0表示初始位置对应的方位角；
步骤4、一子级回收航迹规划的关键是盘旋削高阶段的进入点D的确定；
根据一子级-翼伞系统的质点模型以及评价航迹的标准，即实现着陆点与目标点距离最近，建立目标函数为：



其中，表示一子级返回中滑翔段在水平面内投影的距离，2kπ·Rep表示为盘旋阶段过程中盘旋的整圆圈数的总距离，k为正整数，f为一子级-翼伞系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢小军，李丰浩，闫建国，郭一鸣，陈梦萍，荀奕霖，魏其，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61