一种环境自适应巡航飞艇控制方法技术

本发明专利技术涉及一种环境自适应巡航飞艇控制方法，属于低空飞行器领域。本发明专利技术包括流场信息探测收集，流场重构，CFD求解，智能寻优，任务规划以及信号输出六个部分。本发明专利技术能够给出飞行器顺应流场的路线规划，并在所计算出的路径中进行寻优。在此基础上，用户可以自定义其运算边界控制条件，使之按照用户要求的寻优原则进行寻优，在满足任务规划为第一要求的基础下，实现任务最短能耗的要求。本发明专利技术可实现基于流场信息自动规划有益航线的有益效果，能够显著降低油耗，能够应用于低空飞行器技术领域。域。域。

【技术实现步骤摘要】
解成若干空间正交模态，分解为基本流动与脉动量的叠加，即
[0013]u(x,t
i
)＝u0(x)+u
′
(x,t
i
)
ꢀꢀ
(1)
[0014]其中t
i
为时间，u0(x)为基本流动量，u
′
(x,t
i
)为脉动量，使得流场不完整数据在标准正交 基上的投影依次迅速递减，按照各个模态的能量(特征值)进行排序，截取包含能量较高的 前几阶模态，用基展开获得高阶数据，通过测得流场中部分数据点，Gappy
‑
POD方法就可以 通过流场中部分数据重构出完整流场的数据。
[0015]对完整流场的数据提取特征流线，并通过数学拟合，得到综合考虑出的优选路径，该路 径优势在于以最低油耗的状态完成飞艇飞行任务，完成流场重构获得空间矢量图信息；
[0016]步骤三：CFD解算；
[0017]将步骤二得到的空间矢量图信息导入CFD中进行求解，由于整个系统是在准稳态模型下 建立的，在计算时长不太大的情况下，可以将问题中涉及的三维空间流场视作稳态场。在一 个稳态场中阻力最小的路径方向是沿流线方向的，因而可以将CFD数据转化为三维矢量点 阵，进而可以将寻找能耗最低路径的问题转化为矢量点路径拟合的数学问题，进而计算由寻 路模块获得航线解系；所述航线解系包括：航行速度，克服阻力功等。
[0018]步骤四：智能寻优；
[0019]基于步骤二所得的流场信息与步骤三所得的航线解系，与飞艇当前位置和规划终点，引 入A*算法与遗传算法对路径进行规划与优化。
[0020]A*算法的估算函数为
[0021]f(n)＝g(n)+h(n)
ꢀꢀ
(2)
[0022]其中g(n)表示起点到任意点的实际距离，h(n)表示任意点n到目标点的估算距离
[0023]传统的A
*
算法主要用于机器人寻路问题，以一些无法跨越的点作为障碍，A
*
算法目的是 得到绕过这些障碍而最终到达终点的距离最短路径。但在空中流域并不存在这些障碍，因此 依根据流场信息对h(n)、g(n)进行转换。
[0024]h(n)＝flow_field(h(n))
ꢀꢀ
(3)
[0025]g(n)＝flow_field(g(n))
ꢀꢀ
(4)
[0026]顺流线则估算距离加长，逆流线则估算距离变短。同时由于存在计算尺度与流域特性问 题，所得路径往往并非实际最优路径，称为初始路径；引入遗传算法对初始路径进行优化与 选择。
[0027]由于式(3)和(4)是基于流线给出的，因此能够满足利用流场环境达到节能的目的， 但所述初始路径只是得到了路径数据，并不清楚哪条数据是最优解，因此引入遗传算法对于 路径数据进行进一步评估与优化。
[0028]从步骤一到步骤四是实现智能探路过程的分系统，是把各种输入数据命令转化为一条飞 行轨迹，是整个系统的核心功能分系统。智能寻路分系统解决的具体问题是在满足飞艇的动 力学约束和飞行命令约束的情况下，三维空间场中路径寻优的问题。
[0029]步骤五：健康检查与任务规划
[0030]健康检查系统是飞艇的自监测系统，是对飞艇本身各种情况的评估的体系，以防止由于 机构老化，部分零件突然损坏等原因造成不可挽回的后果，将其纳入这套系统是为了在必要 的时候对飞船航迹进行特殊的规划(比如迫降)，在尽量保护某些老化或者失效
的部分的前提 下安全完成飞行任务或者降落在安全的区域内。任务规划系统在这套系统中的主要作用是对 飞艇的在特定飞行状况下的飞行参数进行一定的限制，从而避免出现飞艇飞出规定区域或者 做出超过载机动动作等。同时还要结合来自健康检查系统的信息，将所述信息转化为具体的 函数限制，以帮助智能寻路。若自健康检查系统的信息符合要求，则执行步骤四的最优轨迹 路径；
[0031]步骤六：至此飞艇路径规划完毕，送入控制机构进行控制，飞艇朝给定路径行驶。当流 场再度发生变化(流场突变，飞艇行驶一段距离)，则重新通过步骤一到步骤五进行规划路径， 从而实现飞艇的环境自适应能力。
[0032]有益效果
[0033]1、本专利技术的一种环境自适应巡航飞艇控制方法，有效利用了空间流场对飞行器的重大影 响，提出了一种基于卫星信息，传感器数据，基于先进数据传输技术，大数据人工智能计算 方法的控制形式。采用该控制方法的飞行器能够有效适应空间流场变化，计算得出空间最佳 路径，以最低油耗的状态完成当前飞行任务。
[0034]2、本专利技术的一种环境自适应巡航飞艇控制方法，采用该控制方法的飞行器能够显著降低 油耗。
[0035]3、本专利技术的一种环境自适应巡航飞艇控制方法，具有宽泛适用性，能够运用于一系列低 速低空载人，货运飞行器上。
[0036]4、本专利技术的一种环境自适应巡航飞艇控制方法，系统可以实现自动寻路与自动控制，可 以降低人力成本。
附图说明
[0037]图1为本专利技术的环境自适应巡航飞艇控制方法控制框架图；
[0038]图2为本专利技术实施例1路线与流场图；
[0039]图3为本专利技术实施例1和2飞艇样机示意图；
[0040]图4为本专利技术的环境自适应巡航飞艇控制方法智能寻路分系统架构图；
[0041]图5为本专利技术A*算法的逻辑框图；
[0042]图6为本专利技术遗传算法的逻辑框图；
[0043]图7为本专利技术实施例1采用环境自适应控制方法与直线行驶能耗对比；
[0044]图8为本专利技术实施例2路线与流场图；
[0045]图9为本专利技术实例2采用环境自适应控制方法与直线行驶能耗对比。
具体实施方式
[0046]为了更好地说明本专利技术的目的和优点，下面结合附图和实例对专利技术进行进一步说明。
[0047]实施例1：
[0048]如附图1所示，本实施例公开的一种环境自适应巡航飞艇控制方法，包括如下步骤：
[0049]步骤一：探测收集流场信息：选择某年五月某日飞艇由大连飞往烟台的航线，通过卫星 数据获取大气流场数据；通过飞艇自身所携带的探测传感器设备获取飞艇周围小范
围点流场 数据，路线与流场图如附图2所示，飞艇样机示意图如附图3所示；
[0050]通过飞艇集群间的互联共享实现飞艇与飞艇、飞艇与卫星、飞艇与基站之间的流场数据 信息共享，有助于获得更为精准的数据为优选航线作理论上的支撑；
[0051]步骤二：对气象数据进行流场重构；
[0052]通过对步骤一所述的大气流场数据和飞艇周围点流场数据进行叠加处理，得到大尺度下 的流场不完整数据，包括飞艇飞行区域速度和压力分布。
[0053]通过Gappy
‑
POD(本征正交分解方法)将流场不完整数据分解成若干空间正交模态，即
[0054]u(x,t
i
)＝u0(x)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环境自适应巡航飞艇控制方法，包括如下步骤：步骤一：探测收集流场信息；通过卫星数据或是航线沿途密布的传感器信息获取大范围宏观流场信息，包括大气流场数据；通过飞艇自身所携带的探测传感器设备获取飞艇周围小范围微观流场信息，包括点流场数据；通过飞艇集群间的互联共享实现飞艇与飞艇、飞艇与卫星、飞艇与基站之间的流场数据信息共享；大气流场数据与点流场数据的相互结合，有助于获得更为精准的数据为优选航线作理论上的支撑；步骤二：对气象数据进行流场重构，获得空间矢量图信息；通过对步骤一所述的大气流场数据和飞艇自身点流场数据进行交叉处理，得到大尺度下的流场不完整数据，所述流场不完整数据包括速度和压力；通过Gappy
‑
POD(本征正交分解方法)将流场不完整数据分解成若干空间正交模态，使得流场不完整数据在标准正交基上的投影依次迅速递减，按照各个模态的特征值进行排序，截取包含特征值大的前N阶模态，用基展开获得高阶数据，重构出完整流场的数据；对完整流场的数据提取特征流线，并通过数学拟合，得到路径，完成流场重构获得空间矢量图信息；步骤三：CFD解算；将步骤二得到的空间矢量图信息导入CFD中进行求解，将问题中涉及的三维空间流场视作稳态场；在一个稳态场中阻力最小的路径方向是沿流线方向的，因而可以将CFD数据转化为三维矢量点阵，将寻找能耗...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁航，陈泰然，耿昊，黄彪，王国玉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：