融合强化学习和进化算法的高超声速飞行器航迹规划

由于高超声速飞行器的复杂特性,对其进行航迹规划是一项非常困难的任务.本文针对高超声速飞行器巡航段,提出了一种将无模型的强化学习和交叉熵方法相结合的在线航迹规划算法.本文将航迹规划问题建模为环境信息缺失程度不同的马尔可夫决策过程,利用(PPO)算法在建立的飞行环境模拟器中离线训练智能体,并通过提高智能体的动作在时间上的相关性来保证航迹的曲率平滑.交叉熵方法则以已训练的智能体由观测到的状态给出的动作作为一种先验知识,进一步在线优化规划策略.实验结果表明了本文的方法可以生成曲率平滑的航迹,在复杂的飞行环境中具有较高的成功率,并且可以泛化到不同的飞行环境中.     

基于A*算法的高超声速飞行器航迹规划方法

为了提高A*算法应用于高超声速飞行器航迹规划时的效率和稳定性,并保证航迹可飞性,提出基于改进型变步长稀疏A*算法的航迹规划方法。首先根据飞行器飞行区域不存在地形限制的特点,在规划过程中采取变步长策略,有效地提高了远程规划时的稳定性和效率;然后依赖飞行器的过载计算最大转弯角和爬升/俯冲角,根据计算角度构建规划空间,同时将飞行器飞行过程燃料/时间、航向、飞行高度、航迹末端、禁飞区域等约束用于规划空间优化,减少扩展节点的数量,进一步提高了规划效率并保证航迹的可飞性;最后基于威胁约束设计特殊的代价函数,保障了飞行安全和航迹规划的稳定性。仿真结果表明:规划出的航迹满足高超声速飞行器各种飞行要求,能避开各种威胁,规划时间短,稳定性好。得到的航迹能够作为航迹跟踪控制系统设计时的参考输入。     

基于差分进化算法的飞行器航迹规划

提出了一种基于差分进化算法的高超声速飞行器航迹规划方法并进行了仿真验证。建立威胁模型,将威胁模型投影到赤道平面内,利用一个有限项的多项式函数来逼近实际航迹在赤道平面内的投影,使航迹规划问题简化为在一个多项式系数空间中的搜索寻优问题。利用差分进化算法,鉴于高超声速飞行器特点,规划得到赤道平面内的航迹,根据对应关系,最后得到实际航迹。仿真结果表明,生成的航迹自动避开了威胁。     

飞行器参考航迹规划方法研究

研究飞行器参考航迹规划优化控制问题,飞行器受到飞行达时间、油耗、威胁和地形环境等因素影响,传统的依靠飞行员的视觉效应,达不到优化的要求,同时飞行航迹实时性差.为了找到最优飞行器参考航迹,在分析当前飞行器航迹规划算法存在问题基础上,提出一种改进遗传算法的航迹规划方案.采用遗传算法对飞行器参考航迹进行全局搜索,快速找到全局最优解区域,并在全局最优区域通过模拟退火算法进行局部搜索,得到最优航迹.仿真结果表明,改进遗传算法能够快速找到最优参考航迹,能很好满足在线实时航迹规划的要求,是一种比较理想的飞行器参考航迹规划算法.     

高超声速巡航飞行器下滑段在线航迹规划方法

为满足高超声速巡航飞行器下滑段在线航迹规划的实时性要求,提出了一种快速航迹规划方法.在数学模型的基础上,采用了分层规划的方法.先将弹道约束和准平衡约束转化为安全走廊,再根据终端约束和中心线原则在安全走廊内规划出基准航迹,并以基准航迹对应的控制序列为基础,利用PRP(Polak-Ribiere-Polyak)共轭梯度法对基准航迹进行优化从而得到了最优航迹,并对最大航程和时间最短航迹进行了仿真.仿真结果表明:规划出的航迹能够很好地满足下滑段任务要求,并且规划时间短,稳定性好,满足在线规划要求.     

高超声速巡航飞行器在线航迹规划方法

为解决弹载计算机内存小、运算速度慢与在线航迹规划内存需求大、实时性要求高之间的矛盾,给出了基于高速DSP的高超声速飞行器在线航迹规划方案。介绍了一种实时航迹规划策略,设计了基于ADSP21364的在线航迹规划器,提出了改进的稀疏A*算法,最后进行了地面模拟飞行试验。仿真结果表明,设计的规划策略和规划算法能够在现有硬件基础上避开各种新威胁,生成一条当前最优/次优的航迹,并且规划稳定性好、成功率高。     

一种多飞行器协同航迹规划的新方法

在综合考虑飞行器编队的飞行代价和作战效果的基础上,提出了一种多飞行器协同航迹规划的新思路,将飞行器编队的协同航迹规划与任务分配结合起来考虑,研究基于任务分配的多飞行器协同航迹规划方法.对传统的飞行器航迹规划模型加以改进,重新建立了结合任务分配的飞行器编队协同航迹规划模型.运用遗传算法对构建的航迹规划模型进行仿真验证,结果表明,基于任务分配的飞行器编队协同航迹规划方法,不仅能保证各飞行器选择合理的协同航迹,也使得作战任务可以获得最佳作战效果,有效的提高编队作战的效费比.     

基于文化算法的无人飞行器航迹规划*

现有航迹规划方法无法保证规划最优路径的同时满足实时性要求,因此文中提出基于文化算法的无人飞行器航迹规划算法.利用文化算法的特性,将在线航迹规划方法与离线航迹规划方法相结合,融入文化算法种群空间中.知识提取,将初始航迹提取为形势知识,将航迹中特征节点可变化范围提取为规范知识,使用知识限定规划空间,缩短规划时间.通过知识结合不同规划方法,弥补现有方法的缺点.实验验证文中算法在复杂动态环境下能有效寻找目标点,相比其它在线航迹规划方法,规划速度更快,规划航迹更短,有效减少飞行器执行任务的时间.     

基于高斯伪谱法的高超声速飞行器再入制导研究

针对高超声速飞行器再入标准轨迹制导方法中存在的制导准备周期长、弹上需存储标准轨迹参数、制导鲁棒性较差等缺点,提出一种基于高斯伪谱法与滚动时域控制技术相结合的高超声速飞行器再入预测-校正制导方案;其中,在线高斯伪谱法采用纵/侧向结合、全程一体化的制导算法思路,实现了对高超声速飞行器再入弹道的全程预测制导;同时结合滚动时域控制技术从工程上实现了高超声速飞行器再入制导中对开环制导信息的闭环应用,完成了飞行器预测-校正制导方案;通过对高超声速飞行器再入制导过程进行仿真分析,结果表明应用文章设计的基于高斯伪谱法与滚动时域控制技术相结合的高超声速飞行器再入预测-校正制导方案,飞行器再入过程中具有良好的制导性能。     

基于双层规划的高超声速飞行器预警资源分配方法

针对高超声速飞行器预警系统中资源难以合理利用的问题,提出一种基于双层规划的预警资源分配方法.首先,建立高超声速飞行器运动状态的马尔可夫模型,提出威胁评估的方法;其次,基于隐马尔可夫模型和卡尔曼滤波,提出双层规划的高超声速飞行器预警资源分配模型,下层规划以单位资源损耗下信息增益为目标函数,上层规划以风险的降低为目标函数;...     

高超声速飞行器跟踪技术综述

近年来,临近空间高超声速飞行器受到了世界各军事强国的广泛关注,发展迅速.本文也正是在此背景下,针对临近空间高超声速飞行器,在介绍机动目标跟踪基本原理的基础上,归纳并总结近年来机动目标跟踪算法的研究情况,从建立合理的机动目标模型和改进滤波算法两个方面提出改进思路,为临近空间高超声速目标跟踪系统的设计与开发提供理论上的探索与支持.     

基于探索群策略鸽群优化的高超声速飞行器飞/发一体化控制

高超声速飞行器飞/发一体化系统具有气流一体化、结构一体化等强飞/发耦合特性,为控制系统的设计带来一定的挑战。针对高超声速飞行器控制系统设计问题,首先在建立高超飞行器飞/发一体化系统模型的基础上,设计了相应的纵向控制律,提出了一种新型的探索群策略鸽群优化算法,并将其应用于高超飞行器飞/发一体化控制参数整定。最后,通过探索群鸽群优化算法对控制参数进行优化,并与基本鸽群优化、粒子群优化进行了对比仿真分析,验证了所提探索群策略鸽群优化算法的可行性和优越性。     

高超音速飞行器鲁棒控制研究

针对高超音速飞行器具有高度非线性、输入输出之间强耦合以及参数不确定等特点,提出了基于随机鲁棒设计的动态逆控制;这一控制方案基于系统控制需求,利用蒙特卡罗仿真方法建立目标函数,并通过遗传算法最优化系统设计参数,该控制方案将动态逆控制的非线性解耦控制能力与随机鲁棒设计的强鲁棒性结合,保证了飞行的纵向稳定性,改善了其控制性能;基于某常规高超音速飞行器纵向模型进行仿真验证,结果表明该方案能够满足系统控制需求且具有强鲁棒性。     

CONSTRAINING HEAT INPUT BY TRAJECTORY OPTIMIZATION FOR MINIMUM‐FUEL HYPERSONIC CRUISE

Unsteady heat input effects are considered for the range cruise of a future hypersonic vehicle equipped with a turbo/ram jet engines combination. A realistic mathematical model for describing the unsteady heat effects has been developed. It is coupled to the model for the dynamics of the vehicle. To compute the heat load in hypersonic flight, several points on the vehicle surface are treated simultaneously. A two‐step technique consisting of an efficient optimization algorithm and an ordinary differential equations (ODE) solver is applied to generate a solution. The results show that the heat load can be significantly reduced, with only a small increase in fuel consumption.     

Improved adaptive fault‐tolerant control design for hypersonic vehicle based on interval type‐2 T‐S model

This study proposes an improved adaptive fault estimation and accommodation algorithm for a hypersonic flight vehicle that uses an interval type‐2 Takagi‐Sugeno fuzzy model and a quantum switching module. First, an interval type‐2 Takagi‐Sugeno fuzzy model for the hypersonic flight vehicle system with elevator faults is developed to process the nonlinearity and parameter uncertainties. An improved adaptive fault estimation algorithm is then constructed by adding an adjustable parameter. The quantum switching module is also applied to the estimation part to select an appropriate algorithm in different fault cases. The estimation results from the given fuzzy observer are used to design a type‐2 fuzzy fault accommodation controller to stabilize the fuzzy system. The stability of the proposed scheme is analyzed using the Lyapunov stability theory. Finally, the validity and availability of the method are verified by a series of comparisons on numerical simulation results.     

基于随机鲁棒设计的高超音速飞行器线性二次型控制

针对高超音速飞行器具有高度非线性、输入输出之间强耦合以及参数不确定等特点,提出了基于随机鲁棒设计的线性二次型控制。这一控制方案基于系统控制需求,利用蒙特卡罗仿真方法建立随机鲁棒目标函数,并通过遗传算法优化控制系统设计参数。该控制方案保证了飞行的纵向稳定性,改善了其控制性能。基于某常规高超音速飞行器纵向模型进行仿真验证,结果表明该方案能够满足系统控制需求且具有强鲁棒性。     

基于改进粒子群算法的再入飞行器轨迹优化

采用基于距离量度和自适应惩罚相结合的约束处理技术的改进粒子群优化算法(PSO)应用于再入飞行器轨迹优化,避免适应值函数中复杂的罚函数及罚因子的设计,提高优化算法的通用性.以高超声速飞行器最小控制量再入轨迹优化为例,并对飞行器运动模型进行简化及控制量参数化.对两种不同的高超声速飞行器模型进行优化,仿真结果验证算法的有效性...     

基于变结构理论的高超音速飞机纵向逆飞行控制

针对高超音速飞机模型的高度非线性、强耦合、参数不确定等特点，提出了基于变结构理论的动态逆控制方法．该方法将逆控制的非线性解耦能力与变结构理论的强鲁棒性能有机结合，确保了高超音速飞机飞行的纵向稳定性，改善了其控制性能．仿真研究表明该控制方法对于高超音速飞机是可行的．     

带有干扰观测器的高超声速飞行器滑模控制

针对高超声速飞行器非线性和易受干扰影响的特点,提出了带有扩张状态干扰观测器的连续滑模控制方法.在对飞行器非线性模型做线性化处理的基础上,设计了一种连续时间滑模控制器.该控制器在对不确定性和未知动态保持鲁棒性的基础上,消除了传统滑模中存在的抖振现象.对系统中存在的外加干扰,设计了扩张状态干扰观测器.将外加干扰作为系统的一个状态变量被估计出来,再将估计值用作滑模控制器的补偿量,进而达到消除外干扰的目的.在高超声速飞行器巡航飞行状态的基础上进行了仿真.仿真结果表明,所提出的方案能够满足控制要求.