滑翔式高超声速飞行器H_∞回路成形控制

为了解决滑翔式高超声速飞行器大攻角侧向机动时高精度高稳定性的控制要求,针对该过程中存在的多个不确定因素和控制耦合,对耦合特性进行分析,建立面向控制的滑翔式高超声速飞行器动力学模型。利用H∞回路成形设计方法设计了控制器,并提出了一种期望传递函数的选取方法。最后对所设计的控制系统进行三通道联合仿真。结果表明该控制系统满足滑翔式高超声速飞行器大攻角侧向机动的控制要求。     

高超声速滑翔飞行器典型运动分析与模型设计

为了得到合理可行的高超声速滑翔飞行器运动轨迹和目标跟踪预测仿真数据,对滑翔飞行器典型运动进行了分析和模型设计.首先建立简化的飞行器动力学模型,分析了无横向机动的平衡滑翔和恒攻角跳跃滑翔两种纵向运动特点;然后在给定纵向运动条件下对摆动式和转弯式两种横向运动进行了分析,建立了不同横向运动与所需控制量攻角、倾侧角之间的关系模型;最后对设计的轨迹模型进行了仿真.仿真结果表明所设计的轨迹模型是合理的.     

基于混沌多项式的再入滑翔鲁棒轨迹凸优化

针对参数不确定条件下高超声速飞行器再入滑翔轨迹设计问题，研究了一种增强抗干扰能力和过程可靠性的鲁棒轨迹优化方法。构建不确定条件下再入滑翔鲁棒轨迹优化模型，并设计了基于高斯求积与非嵌入式混沌多项式的不确定性量化传播算法，从而将其转化为维数扩展的确定性轨迹优化问题；利用凸优化技术对该问题进行凸化和离散，设计了一种基于序列凸优化算法的轨迹优化求解策略，以实现对该高维确定性问题的快速求解。以美国X-33的高超声速滑翔再入为例进行了仿真验证。结果表明，与传统确定性轨迹优化算法相比，所提方法能够有效降低随机干扰对再入滑翔轨迹的影响，从而提升轨迹的可靠性与鲁棒性；与现有典型鲁棒轨迹优化方法相比，所提方法具有相当的精度和显著的计算效率优势。     

高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化

为提高高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化问题求解速度和精度,提出了一种将改进的麻雀智能优化同参数化设计相结合的再入轨迹方法。首先,通过Tent混沌映射和精英反向种群方法初始化种群,利用黄金正弦策略进行种群的位置更新,并通过余弦策略减少侦察者数量,采用贪婪策略对种群的最优解进行选择和更新,在增强算法全局搜索能力的同时,不影响收敛速度。然后,将高超声速再入轨迹优化问题转化为攻角剖面和倾侧角剖面的参数化设计问题,将路径约束转化为阻力加速度再入飞行走廊,保证再入过程中始终满足路径约束,利用罚函数法处理终端约束,从而使得飞行器精确命中目标。最后,采用改进的麻雀智能优化算法对设计参数进行寻优,使得目标函数最优。仿真实验表明：本研究所提出的改进麻雀算法相较于原始麻雀算法、鲸鱼算法和粒子群算法收敛速度快,得到的高超声速滑翔飞行器再入轨迹精度有了进一步的提高;蒙特卡洛仿真实验说明,本研究所提出的高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化算法具有一定的鲁棒性。     

基于拟平衡滑翔的数值预测再入轨迹规划算法

针对高超声速飞行器三维约束再入轨迹规划问题,提出一种基于拟平衡滑翔条件的数值预测再入轨迹规划方法.该方法在以倾侧角为控制量的基础上,增加对攻角的控制作用,能够充分利用再入飞行过程中的拟平衡滑翔条件.根据飞行路径角剖面和攻角剖面分别对再入航程和终端速度进行数值预测;借助拟平衡滑翔条件计算能够保持平衡滑翔飞行的倾侧角,同时将飞行过程约束转化为对倾侧角的约束;以CAV-H再入飞行器为例进行仿真分析.仿真结果表明,该数值预测轨迹规划算法不仅能够使CAV-H的再入轨迹具备平滑弹道的优良特性,而且对目标点的改变具有很强的适应性.     

基于气动性能分析的高超声速滑翔飞行器轨迹估计

由于高超声速滑翔飞行器(HGVs)具有高速、高机动的特点,对此类目标的状态估计一直是一个研究热点。鉴于采用传统的运动学和动力学模型进行轨迹估计时加速度估计精度不高,提出一种基于气动性能分析的非线性气动参数目标估计模型。首先,在研究了高超声速滑翔飞行器跳跃再入段运动特性的基础上,以类HTV-2飞行器为研究目标,采用气动力估算方法对高超声速滑翔目标再入段的气动力进行计算分析。其次,建立与马赫数线性相关的气动参数"基准模型"和以一阶马尔可夫过程描述的气动参数"偏差模型",对目标气动参数进行非线性估计。数学仿真结果表明,该方法可以一定程度上提高卡尔曼滤波方法对该类目标的加速度估计精度。     

考虑禁飞圆的高超声速飞行器再入预测制导

针对大升阻比高超声速飞行器同时满足过程约束、终端约束及禁飞圆约束的再入制导问题,提出了一种新的规避禁飞圆的预测校正制导方法,利用拟平衡滑翔条件将过程约束转化为倾侧角约束,结合数值预测校正方法设计倾侧角数值大小,将禁飞圆区域约束实时转化为航向角约束,设计并运用航向角偏差走廊动态补偿策略,形成新的偏差走廊来控制倾侧角符号,从而导引规避禁飞圆.分析及仿真结果表明:该方法不依赖于标准轨迹,对不同的禁飞圆具备自适应能力,能满足终端约束和过程约束,成功规避禁飞圆,制导和落点精度高,并具有鲁棒性.     

RBCC高超声速飞行器上升段轨迹快速优化

针对火箭基组合循环(RBCC)高超声速飞行器上升段轨迹设计所具有的动力系统工作模态复杂、推力与飞行状态存在强耦合、模型强非线性且存在多种复杂约束限制等典型特征,设计了一种基于序列凸优化的RBCC动力上升段轨迹快速优化方法。针对攻角控制系统是否存在二阶滞后情况,分别建立了适用于RBCC高超声速飞行器上升段轨迹优化的数学模型。基于凸优化理论对原优化模型进行凸化和离散化处理,进而设计了改进的轨迹优化求解策略。以末端机械能最大为优化指标,针对攻角控制系统存在/不存在二阶滞后的情况分别进行了上升段轨迹优化仿真。结果表明,所构建模型和轨迹优化方法可以快速、有效地完成RBCC高超声速飞行器上升段轨迹优化,优化结果符合RBCC动力系统工作特点,且可为RBCC动力运用和攻角控制系统设计提供参考。     

高超声速飞行器动态输出反馈最优跟踪控制

采用非线性前馈加线性反馈控制结构,利用伴随法生成最优上升轨迹,设计输出反馈控制律与输出跟踪控制律,证明其有条件渐近稳定;实现高超声速飞行器上升段的最优跟踪控制,将系统能观测和不能观测部分分离,降低了对传感测量系统的要求.仿真结果表明,该组合方法能够实现高超声速飞行器的最大能量爬升,同时能够实现对最优上升轨迹的稳定跟踪.     

一种高超声速飞行器攻击意图预测方法

针对高超声速飞行器具有高机动性难以对其飞行轨迹进行预测的问题,提出一种基于高超声速目标运动特性的攻击意图预测方法。首先分析了高超声速飞行器的3种运动特性:飞行器运动状态的马尔可夫过程模型、航迹偏航角和可达区域; 然后采用动态贝叶斯网络的推理方法对高超声速飞行器与攻击目标之间的攻击关系进行推理,以实现攻击意图预测; 最后进行了仿真实验。实验结果表明, 基于运动特性的动态贝叶斯网络能够对攻击意图进行预测,提出的意图预测方法具有良好的实时性和有效性。     

基于交叉路口道路时空网格的车辆碰撞预警方法研究

通过车-路通信构建协作型交叉路口防碰撞安全预警系统,能保证车辆在交叉路口行驶过程安全的同时,提高交叉路口的通行率,然而车辆防碰撞安全预警需要对车辆行驶路线进行准确地估计,当车辆有碰撞危险时,需要给出安全速度区间,通知车辆减速或制动. 为解决这一问题,提出了交叉路口道路时空网格车辆避碰算法,其基本思想是将交叉路口划分为多个网格,利用路侧单元根据车辆当前车速、方向预测车辆行驶轨迹即车辆所占的网格数,若在某一时刻两车占用相同的网格则会发生碰撞,此时根据车辆当前的运动状态给出车辆能避开冲突的安全速度建议. 为了对算法进行验证,在无信号灯交叉路口和有信号灯交叉路口环境中对所提出的算法进行了仿真实验和真实测试,实验结果表明,所提出的算法能准确预判出在交叉路口处于潜在碰撞危险中的车辆,并给予车速建议,证明了该系统的有效性和准确性.     

自适应LOS制导结合MPC控制的车辆循迹优化

为提升无人驾驶车辆循迹过程的动态响应能力,确保车辆能快速且稳定地跟踪参考路线,首先基于模糊控制的思想,在传统视线(line-of-sight, LOS)制导策略中引入了时变前视距离,提出了改进后的自适应LOS制导策略,把目标轨迹的跟踪简化为目标点航向的跟踪。其次,建立车辆三自由度动力学模型,并结合自适应LOS状态方程设计路径跟踪系统的线性数学模型。最后,基于模型预测原理,使用多步预测、滚动实时优化、反馈校正等控制方式,求解出最优反馈的方向盘控制指令。本文为验证上述所提及跟踪策略的有效性,在Simulink仿真环境中分别以直线路径和曲线路径作为参考轨迹进行追踪仿真实验,结果表明:所提自适应LOS制导策略能使循迹车辆的轨迹横向误差和航向误差迅速地收敛到零,从而验证了改进LOS制导算法可以提高无人车路径跟踪的响应速度和平稳性。     

基于多峰优化Kriging模型与距离相关系数的高速列车动力学参数多输出灵敏度分析

高速列车动力学参数较多,其动力学性能的评价指标有多个。综合考虑这些动力学指标,进行参数灵敏度分析,对高速列车动力学参数的恰当匹配具有重要意义。已有单输出灵敏度分析技术难以准确度量参数对车辆动力学综合性能影响的大小。为避免已有方法的缺陷,本文引入了一种新的基于距离相关系数的多输出灵敏度分析技术。该方法通过求解单个输入与多个输出变量之间的距离相关系数,从而实现多输出全局灵敏度分析的目的。为提高灵敏度分析的效率,本文建立了多个动力学指标与输入参数的Kriging模型。为提高近似模型的精度,本文引入了一种新颖的多峰优化算法对Kriging模型的超参数进行全局寻优。与传统单目标智能优化算法不同,该优化算法通过引入种群差异指标,将单目标优化问题转化为双目标优化问题,从而增加了子代种群的多样性,避免了传统优化算法易于陷入局部最优解的问题。基于所提方法,本文以CRH动车组动车为例,研究了多个动力学指标的多输出全局灵敏度。结果表明：所提的超参数优化方法由于增强了种群多样性,从而对Kriging模型精度和稳定性提升效果明显;基于距离相关系数的灵敏度分析方法能够更加合理地识别出对车辆动力学综合性能影响较大的参数、排除几乎没有影响的参数。     

升力式再入飞行器全程三维自主制导方法

为增强升力式再入飞行器任务的灵活性,减少射前准备,实现快速发射和精确打击,研究一种升力式再入飞行器全程三维自主制导方法.首先,再入段制导提出通过再入走廊上下边界内插得到阻力加速度剖面,倾侧角采用两次反转的设计方法,通过调节阻力加速度剖面的内插值系数和倾侧角的反转点来满足约束和精度的要求;然后,下压段仅依靠飞行器当前信息和目标点位置采用比例导引的形式来设计导引律,并通过对导引系数的实时更新实现以一定的弹道倾角对目标的精度打击;最后通过对再入段和下压段衔接点处控制指令的平滑过渡,得到全程三维自主制导方法.蒙特卡洛打靶仿真结果表明,该制导方法能够导引飞行器在满足再入约束的情况下以规定的弹道倾角对目标实施精确打击,其中打击偏差小于10 m,弹道倾角偏差小于1.3°.     

多信道认知无线电频谱感知时间和门限联合分配

为提高多信道认知无线电的吞吐量,提出采用交替方向优化联合分配次用户的频谱感知时间和子信道感知门限.基于"先听后传"的次用户帧结构,建立了感知时间和门限的优化分配模型.该模型在保证满足主用户通信需求和子信道频谱感知性能的前提下,最大化次用户各子信道的吞吐量总和.联合优化算法通过交替优化感知时间和门限能够获得模型的最优解.仿真结果表明:存在最优的感知时间和门限最大化次用户的吞吐量,并且相比之前的方案,联合分配能够提高次用户的吞吐量.     

先进战斗机过失速机动飞行航迹优化

过失速机动是先进战斗机的重要性能,飞行航迹优化是过失速机动中需要解决的关键问题。基于先进战斗机非线性动力学模型建立了过失速机动的优化模型;应用哈密顿函数构建了优化指标函数,并求解了相应的约束方程;提出了最速下降法和Newton法相结合的新算法对梯度下降法进行了改进,加快了寻优算法的收敛速度;选取了典型的Herbst机动具体分析了先进战斗机过失速机动的飞行航迹优化问题。最后,通过数字仿真验证了航迹优化算法的可行性和有效性。     

基于脉冲机动的引力辅助深空探测轨道设计

以借助金星引力的火星探测器轨道设计为背景,针对借力前后可能存在的速度不匹配问题,提出了一种施加脉冲机动的解决方式。首先以借力飞行的基本理论为基础,推导了施加脉冲的实现过程。其次,探讨了基于等高线图的引力辅助轨道设计方法,当速度不匹配时,不存在无动力的借力飞行,针对可能发生的速度不匹配的情况,文章采用在引力辅助过程完成之后,施加脉冲,提高探测器的速度,实现了速度不匹配的借力飞行情况。最后研究了遗传算法在引力辅助轨道设计中的应用,以金星借力的火星探测轨道为例,同样在无动力的引力辅助不满足要求的情况下,研究了基于遗传算法的引力辅助轨道优化设计流程,得出与等高线图法基本一致的结果。对两种方法的结果进行比较分析,验证了施加脉冲机动的方法在引力辅助轨道设计中的适用性。