基于罚函数序列凸优化的高超变体飞行器轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开的基于罚函数序列凸优化的高超声速变体飞行器轨迹规划方法，属于飞行器总体优化技术领域。本发明专利技术建立高超声速变体飞行器再入气动代理模型；考虑动力学、始末状态及热流率、过载、动压路径约束，建立再入轨迹规划最优控制模型；通过时间归一化处理将终端时间自由的轨迹规划问题转化为在固定时域上的最优控制问题。采用对数凸化策略凸化路径约束；设计虚拟控制策略，松弛高超声速变体飞行器再入动力学等式约束；定制二阶锥约束，采用罚函数方法将其加入目标函数中，引导再入轨迹迭代优化结果向可行域逼近；构建自适应信赖域更新策略，加速迭代收敛。采用基于罚函数序列凸优化求解器高效快速求解规划高超声速变体飞行器再入轨迹。器再入轨迹。器再入轨迹。

【技术实现步骤摘要】
基于罚函数序列凸优化的高超变体飞行器轨迹规划方法


[0001]本专利技术涉及一种基于罚函数序列凸优化的高超声速变体飞行器轨迹规划方法，属于飞行器总体优化


技术介绍

[0002]高超声速滑翔飞行器具有任务空域广、飞行速度快、突防能力强等特点，已经成为各国打造新一代颠覆性武器装备和空天运输系统的重要载体。然而，传统固定构型的高超声速滑翔飞行器气动外形只针对特定的工作点进行设计，难以适应大范围飞行空域和宽速域变化的要求。再入阶段大攻角飞行给控制系统、防隔热设计带来难度，大升阻比与大机动过载间的矛盾限制了高超声速飞行器飞行能力的提升和任务边界的拓展。高超声速变体飞行器可通过自适应调整飞行器外形结构，减小阻力，获取更优的气动特性与操纵能力，实现亚/跨/超/高超跨速域飞行、低/高/临大空域机动、察/打/控多任务切换，实现传统飞行器由固定构型的单点最优向可变构型的全包线持续最优的跨越升级，对提升飞行器的多任务适配和多环境适应能力，满足我军多域作战、空天运输等需求，具有极其重要的现实意义。
[0003]高超声速变体飞行器再入滑翔轨迹规划技术是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于罚函数序列凸优化的高超声速变体飞行器轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立高超声速变体飞行器气动模型；步骤二：输入高超声速变体飞行器的轨迹约束信息，始末状态[s0,s
f
]、状态量与控制量边界约束[s
min
,s
max
,u
min
,u
max
]，终端时间约束[t
f,min
,t
f,max
]及攻角模型，并以终端射程最大为优化目标，构建高超声速变体飞行器再入滑翔轨迹规划问题；初始化基于罚函数序列凸优化方法的算法参数，所述算法参数包括轨迹离散点数N、收敛容差信赖域半径信赖域收缩系数β、罚系数ω；步骤三：根据再入始末状态约束，采用常值控制量进行数值积分获得状态变量，将积分获得的状态量S0作为初始参考轨迹，以保证初始参考轨迹满足高超声速变体飞行器再入动力学约束；步骤四：针对步骤二构建的高超声速变体飞行器再入滑翔轨迹规划问题，建立包含性能指标、动力学约束、再入路径约束、始末约束、状态量约束、控制量约束和终端时间约束的高超声速变体飞行器再入滑翔轨迹凸规划模型；步骤五：设计虚拟控制策略松弛线性化动力学等式约束，提升高超声速变体飞行器轨迹规划的鲁棒性和收敛性；为避免线性化动力学松弛过度，对虚拟控制量定制二阶锥约束，并将二阶锥约束加入到目标函数中，采用罚函数对目标函数进行优化；步骤六：根据相邻两代优化性能指标变化情况，设计自适应信赖域更新策略，通过所述自适应信赖域更新策略调整高超声速变体飞行器轨迹凸规划问题解空间，加速轨迹规划方法收敛，快速求解高超声速变体飞行器再入滑翔轨迹。2.如权利要求1所述的基于罚函数序列凸优化的高超声速变体飞行器轨迹规划方法，其特征在于：还包括步骤七，采用凸优化求解器求解高超声速变体飞行器再入轨迹凸规划问题直至获得收敛的最优高超声速变体飞行器规划轨迹；求得的再入滑翔轨迹能够在满足热流密度、动压和过载路径约束的提下，使高超声速变体飞行器获得全飞行包线最优的气动性能和操纵性能，进而提升高超声速变体飞行器的战场生存与突防能力。3.如权利要求1或2所述的基于罚函数序列凸优化的高超声速变体飞行器轨迹规划方法，其特征在于：步骤一实现方法为，再入滑翔过程中，高超变体飞行器构型时变，高度与速度变化极大，无法忽略声速及大气密度变化，因此高超声速变体飞行器气动模型受海拔高度h，马赫数Ma，攻角α，后掠角χ1、χ2及外段翼前缘长度ξ共同影响；在飞行工况和机翼变形量范围内采用拉丁超方试验设计方法生成多组仿真设置条件，采用气动仿真软件求解高超声速气动力，获得多组离散的升阻力气动系数数据；由于建立的变体气动模型设计变量维度较高，且无法明确升阻力系数与各变量间的多项式表达形式，因此采用径向基函数(Radial Basis Function,RBF)对升力系数C
L
、阻力系数C
D
和参考面积S分别构造代理模型，如式(1)所示；
式中，和f
S
分别为升阻力系数和参考面积的径向基函数拟合函数。4.如权利要求3所述的基于罚函数序列凸优化的高超声速变体飞行器轨迹规划方法，其特征在于：步骤四实现方法为，步骤4.1：选取状态量与控制量，通过时间归一化处理，建立高超声速变体飞行器的动力学方程；采用梯形积分方法对连续时间系统进行离散化处理，通过泰勒展开对非线性再入动力学模型进行凸化，获得动力学仿射凸约束；选取海拔高度h、射程x、速度v、弹道倾角γ、变形机翼后掠角χ1、χ2和前缘展长ξ作为状态量s＝[h,x,v,γ,χ1,χ2,ξ]
T
，选取变形机翼后掠角和前缘展长变化率作为控制量由于终端时间t
f
自由，故引入变量τ对再入滑翔时间t进行归一化处理；变量τ定义如下：τ＝t/t
f
∈[0,1]
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(2)不考虑机体结构发生弹性形变及地球自转、曲率带来的影响，高超声速变体飞行器动力学方程建立如式(3)所示；式(3)中，式(4)中，m为飞行器质量，g为重力加速度，L和D分别为气动升力和阻力，具体计算如式(5)所示；式中，q＝ρv2/2为动压，ρ为大气密度；采用配点...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙腾，王仰杰，孙景亮，李俊志，周禹泽，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
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