[发明专利]运载火箭一子级伞控回收航迹规划方法

权利要求书

1.一种运载火箭一子级伞控回收航迹规划方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、建立一子级-翼伞系统归航过程六自由度数学模型，系统的十二个微分方程如下：

一子级-翼伞系统动力学方程：

一子级-翼伞系统角运动方程如下：

一子级-翼伞系统的姿态角与角速度之间关系如下：

一子级-翼伞系统质心在地面坐标系中的位置关系如下：

其中，一子级-翼伞系统总质量m＝m_w+m_c+m_f，m_w,m_c,m_f分别为火箭一子级质量、翼伞质量和系统附加质量；x,y,z分别是一子级-翼伞系统的位移；v_x,v_y,v_z分别表示一子级-翼伞速度在体坐标系内沿x轴、y轴、z轴的速度分量；p、q、r分别是一子级-翼伞绕x轴、y轴和z轴的角速度分量；θ、ψ分别是一子级-翼伞的滚转角、俯仰角、偏航角；(I_xx、I_yy、I_zz)，(L、M、N)，(M_x、M_y、M_z)分别为系统在各轴上的转动惯量、气动力矩和重力力矩；

在翼伞系统控制下，火箭一子级做稳定滑翔运动，在受到重力和气动力的平衡作用后，系统水平飞行速度v_l和垂直下降速度v_s保持不变，此时，将一子级-翼伞系统六自由度模型简化为质点模型；取坐标系为大地坐标系，坐标原点为航迹规划的目标点，得到的系统质点模型为，

式中，ψ，分别为一子级-翼伞系统飞行过程中的转弯角度、转弯角速度，u表示系统控制量；

步骤二、结合一子级-翼伞系统模型仿真获取的系统飞行特性，对一子级回收航迹进行划分，将归航航迹划分为径向飞行段、盘旋削高段、逆风着陆段和雀降段四个过程；

步骤三、建立一子级回收过程各段航迹的位置和长度的几何关系；在径向飞行阶段，过渡圆弧圆心坐标O₁为：

径向飞行段的位移即为之间的距离为：

径向飞行阶段与X轴正向夹角为：

圆弧O₁对应的圆心角β₁：

在盘旋削高阶段，过渡圆弧对应的圆心O₂坐标为：

过渡圆弧O₂对应的圆心角β₂为：

圆弧O₃对应的圆心角β₃为：

β₃＝-α₃-s×θ_ET，若β₃＜0，β₃＝β₃+2π (13)

在逆风接近阶段，过渡圆弧O₄的夹角β₄为：

其中，R_min表示一子级回收航迹中AB段、CD段、EF段的转弯半径；β₁，β₂，β₄分别表示一子级返回航迹中转弯段对应的圆弧段弧度；R_ET表示盘旋阶段DE的盘旋半径；β₃表示盘旋阶段对应的圆弧段弧度；θ_ET表示盘旋削高阶段的方位角；α₀表示初始位置对应的方位角；

步骤四、一子级回收航迹规划的关键是盘旋削高阶段的进入点(R_ET,θ_ET)的确定；根据一子级-翼伞系统的质点模型，以及评价航迹的标准，建立目标函数为：

式中，R_min表示一子级回收航迹中过渡圆弧段的转弯半径；R_ET表示盘旋阶段的盘旋半径，||BC||表示一子级返回中滑翔段在水平面内投影的距离；β₁，β₂，β₃，β₄表示一子级归航航迹中转弯段对应的圆弧段弧度；k为一子级-翼伞系统稳定飞行时的滑翔比，z₀为翼伞系统开始工作时一子级的高度；

F₁表示一子级着陆时的偏差，即设计的一子级航迹的水平飞行距离与定滑翔比条件下初始高度对应的水平飞行距离(k·z₀)的差值的绝对值；F₂表示一子级回收过程消耗的能量，u表示翼伞系统的控制量，大小与系统的转弯半径有关；

F＝min{k₁|F₁|+k₂|F₂|} (17)

F表示F₁、F₂的加权求和，k₁、k₂为比例系数,将F₁、F₂优化至相同量纲；

设定航迹规划约束条件为：盘旋阶段的盘旋半径R_ET∈[R₁,R₂]，R₁,R₂为一子级-翼伞模型的转弯半径的上、下限；盘旋削高阶段进入点C长度||OC||∈[R₁,R₂]，方位角θ_ET∈[-π,π]；

步骤五、设置人工鱼群参数，人工鱼个体的状态表示为向量X＝(x₁,x₂,···,x_n)，其中x_i(i＝1,···,n)即寻优的变量；人工鱼当前位置的食物浓度表示为Y＝f(X)，其中，Y为目标函数值；设置人工鱼的规模N、状态维数n、边界范围[b_min,b_max]；人工鱼的视野范围Visual、人工鱼移动的最大步长Step、人工鱼拥挤度因子δ，人工鱼搜索食物浓度的尝试次数try-number和最大迭代次数l_max；

步骤六、引入Rand()随机函数产生n行，N＝列的0～1之间的随机数，初始化鱼群，生成N条人工鱼；

x_ki＝b_mink+Rand()×(b_maxk-b_mink) (18)

其中，b_min，b_max为寻优参数的取值下限、上限，k＝1,2…n；Rand()为生成一个0～1之间均匀分布的随机函数；

步骤七、公告牌初始化，计算出当前状态下鱼群中各条人工鱼的食物浓度Y＝(y₁,y₂,···,y_n)，逐个比较目标值，将最优的人工鱼状态放入公告牌中；

步骤八、执行单次迭代寻优，当前状态人工鱼i；

步骤九、对每条人工鱼进行评价，对其要执行的行为进行选择；在人工鱼随机行为中，第i条人工鱼X_i视野范围内的觅食状态为：

在人工鱼觅食行为中，第i条人工鱼X_i视野范围内，产生觅食状态X_j，比较X_i、X_j的目标函数Y_i、Y_j的大小，选择下一步移动状态，

在人工鱼聚群行为中，计算第i条人工鱼X_i与第j条人工鱼之间的距离d_ij以及与鱼群中所有人工鱼之间的距离D_i，其中，d_ij＝||X_i-X_j||(1≤i≤N,1≤j≤N)，D_i＝(d_i1,d_i2,···,d_in)；搜索该人工鱼X_i当前视野内的伙伴数目n_f，并计算周围伙伴的当前状态(X_i1,X_i2,···,X_in)，以及中心位置X_c，其中，然后判断中心状态X_c的食物浓度Y_c与第i条人工鱼X_i的食物浓度Y_i的关系，若满足Y_c/n_f＞δ×Y_i，X_i朝伙伴的中心位置移动一步

在人工鱼追尾行为中，计算X_i当前视野内其他人工鱼的数目n_f以及对应的食物浓度(Y_i1,Y_i2,···,Y_in)，找到食物浓度最大的人工鱼X_j；搜索人工鱼X_j当前视野内的其他人工鱼数目m；若人工鱼X_j的食物浓度Y_j大于人工鱼X_i的食物浓度Y_i，即满足Y_j/m＞δ×Y_i，则X_i朝最优人工鱼X_j位置移动一步

步骤十、每条人工鱼执行一次后，检验自身状态，若食物浓度优于公告牌，则将该人工鱼的食物浓度和当前状态更新到公告牌；

步骤十一、依次执行所有的人工鱼，直到达到最大迭代次数，输出公告牌上的人工鱼状态X_best及对应食物浓度Y_best，即一子级回收航迹设计中盘旋阶段的最优进入点坐标；

步骤十二、将计算的最优航迹参数带入一子级回收规划的航迹中，计算径向飞行阶段、盘高阶段、逆风着陆阶段以及雀降阶段的航迹设计参数；

步骤十三、将一子级各阶段航迹设计参数带入一子级-翼伞六自由度模型中，仿真调试，显示一子级回收航迹规划结果。