一种基于同构化-跟踪的多舰载异构体舰面协同轨迹规划与控制方法技术

一种基于同构化

【技术实现步骤摘要】
一种基于同构化
‑
跟踪的多舰载异构体舰面协同轨迹规划与控制方法


[0001]本专利技术属于舰载异构系统的舰面协同规划与控制
，特别是涉及一种基于同构化
‑
跟踪的多舰载异构体舰面协同轨迹规划与控制方法。

技术介绍

[0002]舰载机舰面调运方式有两种，即飞机滑行和有牵引，由于这两种调运方式经常会同时进行，且滑行飞机系统和有杆牵引飞机系统结构、控制特性等差异较大。因此，如何在狭小的甲板空间及复杂作业环境下实现由有杆牵引/滑行飞机系统之间的有效协同，以确保各阶段作业协调、安全、高效，是提高航母出动回收能力的关键问题。
[0003]当前大部分的研究大多只针对单机滑行的路规划进行研究，其主要为 Dijkstra算法、改进的A*算法、基于行为动力学的算法、智能搜索方法和基于最优控制的方法。相较于单机滑行的轨迹规划问题，多机的协同轨迹规划问题复杂度更高，尤其是需要考虑其非线性动力学/运动学、控制以及状态约束时，其规划就会变得更加困难，而狭小、复杂的甲板环境会使求解难度进一步增加，有时甚至难以求解。当存在多异构体协同作业时，由于不同结构的运动学/动力学约束不相同，将导致其协同轨迹规划问题比多同构体协同轨迹规划问题更加复杂。
[0004]关于甲板上协同调运轨迹规划的研究还较少，现有的研究主要是采用粒子群等仿生算法来实现多架飞机协同滑行的路径规划，其结果却难以严格满足运动学/动力学、终端、控制等约束。而无人机、无人车、机器人等领域的协同轨迹规划问题已被广泛研究，这些领域中最常用的方法主要有：人工势场算法、数学规划方法、人工智能算法、交互避碰策略、优先级策略等。这些方法虽可实现协同轨迹规划问题的求解，但却难以兼顾计算效率与精度。
[0005]此外，舰载机在甲板上的调运往往要求飞机以预定角度准确的到达目标位置，即飞机运动轨迹均必须严格满足末端约束，而现有的协同轨迹规划与控制方法大多都难以严格满足终端约束要求，故无法有效应用于多舰载机的协同轨迹规划与控制问题中。
[0006]当前，工程应用上迫切需针对多舰载异构体协同调运轨迹规划的特点，设计一种高效、鲁棒的求解方法来解决多舰载异构体舰面协同轨迹规划与控制问题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于同构化
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跟踪的多舰载异构体舰面协同轨迹规划与控制方法。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是：
[0009]一种基于同构化
‑
跟踪的多舰载异构体舰面协同轨迹规划与控制方法，首先将由有杆牵引飞机系统构造为由飞机构成的虚拟飞机系统(将有杆牵引飞机系统中的飞机部分抽象成一个虚拟的飞机系统)，从而将由有杆牵引飞机系统和滑行飞机系统所构成的异构
系统转化为由虚拟飞机系统和滑行飞机系统构成的同构体，并基于最优控制理论建立同构体的协同轨迹规划模型，其中，虚拟飞机系统具备转弯、倒车、正向运动的功能。然后，采用最优控制方法对所建立的协同轨迹规划模型进行求解，得到虚拟飞机系统和滑行飞机系统的最优轨迹和控制量。最后，由于已得到各个滑行飞机系统的最优轨迹和控制量，只需以所得到的各个虚拟飞机系统的最优轨迹作为标准轨迹，基于有杆牵引飞机系统的运动学模型对标准轨迹进行跟踪，从而建立有杆牵引飞机系统的轨迹跟踪的最优控制模型，并采用最优控制算法求解分别获得有杆牵引飞机系统的运动轨迹和控制量。具体包括以下步骤：
[0010]作为优选，典型的有杆牵引系统如附图1(左)所示。图1(左)为有杆牵引系统的整体结构示意图，θ1、θ2和θ3分别为飞机、牵引杆和牵引车的方位角。 P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)和P4(x4,y4)分别为飞机后轮中点位置、前轮位置、牵引杆和牵引车铰接点、牵引车后轮中点位置。O1(x1+D1cosθ1,y1+D1sinθ1)和 O2(x1+D1cosθ1,y1+D1sinθ1)为描述牵引系统和滑行飞机系统特征圆圆心的位置，其中，D1表示描述有杆牵引系统特征圆的圆心到牵引系统中飞机两个后轮中心位置的距离。β1、β2和α分别为和之间的夹角、和之间的夹角、牵引车前轮转向角。飞机和牵引车的速度分别为v1和v3。由于β1＝θ2‑
θ1，β2＝θ3‑
θ2，飞机速度可表示为：
[0011][0012]从附图1可分析出，有杆牵引飞机系统和滑行飞机系统的运动学方程不同，它们的状态变量和运动学方程的结构也不同。因此，很难用统一的框架来描述包含这两种系统的多异构体协同轨迹规划问题。此外，有杆牵引飞机系统较滑行飞机系统而言，结构更加复杂。对于包含m(m∈N
+
)个有杆牵引飞机系统和 n(n∈N
+
)个滑行飞机系统的多异构体协同轨迹规划与控制问题而言，为提高问题的稳定性和求解效率，平衡其与精度的关系，可采取如下方法对多舰载异构体的协同轨迹规划与控制问题进行求解。具体包括以下步骤：
[0013]步骤1：将异构协同问题转化为同构协同问题。
[0014]为了实现这一转换，分别将m个有杆牵引飞机系统中的飞机部分抽取出来，并将其作为结构更简单的虚拟飞机系统，则滑行飞机系统和虚拟飞机系统均是由飞机所构成的同构体，故多异构体可转换为由n个滑行飞机系统和m个虚拟飞机系统组成的m+n个同构体。此外，由于有杆牵引飞机系统中飞机部分在牵引车和牵引杆的共同作用下可实现转弯、倒车、正向运动，本专利中所构造的虚拟飞机系统是在不改变飞机运动特点的前提下将其单独抽取出来，故仍认为虚拟飞机系统具备转弯、倒车、正向运动的功能。
[0015]步骤2：针对m+n个同构体建立多同构体协同轨迹规划最优控制模型，利用最优控制算法中常用的伪谱法对多同构体协同轨迹规划最优控制模型，分别得到滑行飞机系统和虚拟飞机系统的轨迹及对应的状态变量和控制量。
[0016]步骤2
‑
1：确定同构体的运动学建模
[0017]任一同构体的运动学方程均可描述为：
[0018][0019]其中，状态变量为控制变量可选为同构体前轮转向角的正切值和同构体加速度故同构体的控制变量为
[0020]步骤2
‑
2：确定各同构体的状态
‑
控制的约束
[0021]对于同构体i(i∈N
+
，i≤m+n)，其速度和控制变量的约束为：
[0022][0023]其中，和分别为的最小值和最大值，表示同构体i的速度；和分别为和的最大值，表示同构体i的前轮转向角的正切值，即表示同构体i的前轮转向角的正切值，即表示同构体i的加速度。
[0024]步骤2
‑
3：确定障碍物约束
[0025]对于同构体i，当其满足如下关系时，其将不会与障碍物发生碰撞：
[0026][0027]其中，x
O,m
和y
O,m
为第m个障碍物的位置坐标，a
O,m
和b
O,m
为障碍物的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于同构化
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跟踪的多舰载异构体舰面协同轨迹规划与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，将异构协同问题转化为同构协同问题；将有杆牵引飞机系统中的飞机部分转化为虚拟飞机系统，从而将由有杆牵引飞机系统和滑行飞机系统所构成的异构系统转化为由虚拟飞机系统和滑行飞机系统构成的同构体；其中，虚拟飞机系统具备转弯、倒车、正向运动的功能；其次，针对同构体基于最优控制理论建立同构体的协同轨迹规划最优控制模型，采用最优控制方法对所建立的协同轨迹规划最优控制模型进行求解，得到虚拟飞机系统和滑行飞机系统的最优轨迹和对应的状态变量和控制量；最后，以所得到的各个虚拟飞机系统的最优轨迹作为标准轨迹，基于有杆牵引飞机系统的运动学模型对标准轨迹进行跟踪，从而建立有杆牵引飞机系统的轨迹跟踪的最优控制模型，并采用最优控制算法求解分别获得有杆牵引飞机系统的运动轨迹和控制量；最终得到异构系统中所有有杆牵引飞机系统和滑行飞机系统的轨迹与控制。2.根据权利要求1所述的一种基于同构化
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跟踪的多舰载异构体舰面协同轨迹规划与控制方法，其特征在于，所述的多舰载异构体舰面协同轨迹规划与控制方法具体步骤如下：作如下定义：θ1、θ2和θ3分别为飞机、牵引杆和牵引车的方位角；P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)和P4(x4,y4)分别为飞机后轮中点位置、前轮位置、牵引杆和牵引车铰接点、牵引车后轮中点位置；O1(x1+D1cosθ1,y1+D1sinθ1)和O2(x1+D1cosθ1,y1+D1sinθ1)为描述牵引系统和滑行飞机系统特征圆圆心的位置，其中，D1表示描述有杆牵引系统特征圆的圆心到牵引系统中飞机两个后轮中心位置的距离；β1、β2和α分别为和之间的夹角、和之间的夹角、牵引车前轮转向角；飞机和牵引车的速度分别为v1和v3；β1＝θ2‑
θ1，β2＝θ3‑
θ2；步骤1：分别将m个有杆牵引飞机系统中的飞机部分转换为虚拟飞机系统，则滑行飞机系统和虚拟飞机系统均是由飞机所构成的同构体，故多异构体可转换为由n个滑行飞机系统和m个虚拟飞机系统组成的m+n个同构体；步骤2：针对m+n个同构体建立多同构体协同轨迹规划最优控制模型，对其求解后，分别得到滑行飞机系统和虚拟飞机系统的轨迹及对应的状态变量和对应的状态变量和控制量；具体如下：步骤2
‑
1：确定同构体的运动学建模任一同构体的运动学方程均描述为：其中，状态变量为控制变量为同构体转向角的正切值和加速度即故同构体的控制变量为步骤2
‑
2：确定各同构体的状态
‑
控制的约束
对于同构体i(i∈N
+
，i≤m+n)，其速度和控制变量的约束为：其中，和分别为的最小值和最大值，表示同构体i的速度；和分别为和的最大值，表示同构体i的前轮转向角的正切值，即表示同构体i的前轮转向角的正切值，即表示同构体i的加速度；步骤2
‑
3：确定障碍物约束对于同构体i，当其满足如下关系时，其将不会与障碍物发生碰撞：其中，x
O,m
和y
O,m
为第m个障碍物的位置坐标，a
O,m
和b
O,m
为障碍物的长和宽，θ
O,m
为角度，R
safe
是安全缓冲距离，p
O,m
为其形状参数；若同构体i为虚拟飞机系统，则D
i
为对应有杆牵引飞机系统中飞机后轮中点与描述该有杆牵引飞机系统特征圆圆心之间的距离；若同构体i为滑行飞机系统，则D
i
为对应滑行飞机系统中飞机后轮中点与描述该滑行飞机系统特征圆圆心之间的距离；对于同构体i和同构体j(i≠j,j∈N
+
,j≤m+n)，当其满足如下关系时，这两个系统将不会发生碰撞：其中，若同构体j为虚拟飞机系统，则D
j
为对应有杆牵引飞机系统中飞机后轮中点与描述该有杆牵引飞机系统特征圆圆心之间的距离；若同构体j为滑行飞机系统，则D
j
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洁，董献洲，王昕炜，高岚岚，刘纯，徐浩，雷霆，赵中正，彭海军，吴文波，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院战争研究院，
类型：发明
国别省市：