[发明专利]一种高超声速飞行器下压段自适应伪谱法轨迹优化方法

说明书

一种高超声速飞行器下压段自适应伪谱法轨迹优化方法，解决了传统伪谱法在求解复杂非光滑问题时运行效果不理想的问题，属于高超声速飞行器轨迹设计与优化领域。包括如下步骤：S1、建立高超声速飞行器下压段的动力学模型和运动学模型；S2、设定高超声速飞行器下压段的约束条件，包括动压约束、法向过载约束、端点约束和控制量约束；S3、运用数值方法自适应Radau伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题，分别以最大射程和最短时间为性能指标来进行优化；S4、运用数值优化方法序列二次规划算法求解非线性规划问题。

技术领域

本发明涉及一种高超声速飞行器下压段自适应伪谱法轨迹优化方法，属于高超声速飞行器轨迹设计与优化技术领域。

背景技术

近些年来，高超声速飞行器技术发展迅速，已经成为融合诸多航空航天领域的新技术。高超声速飞行器具有快速响应、超强突防、灵活机动、远程打击等特点，因而已经成为未来飞行器的重要发展方向。作为20世纪以来新兴的一个多学科技术融合的全新领域，其已经在军事领域凸显出极高的应用价值。高超声速飞行器不仅有极强的自我生存能力，能对目标进行快速而精确的打击，而且能极大地提升高空高速侦查和探测能力，协助其他打击作战力量高效地进行中远程或全球作战，从而进一步增强国防力量。

高超声速飞行器的轨迹设计与优化是飞行器总体优化设计里非常重要的组成部分，也是近现代各国对飞行器相关研究的重点，其意义在于可以协调各个子系统，使其相互协作，以便达到各自某些特别的任务要求，不论是飞行器可以承载更多的有效载荷，还是可以降低飞行器的运营成本，提升飞行器的使用效率。总之，对飞行轨迹的设计与优化可以整体性的提高飞行器的相关性能指标。因此，飞行轨迹的好坏将直接影响飞行器是否可以顺利的完成任务，对飞行器的总体设计具有重要的意义。

根据不同任务类型设计的轨迹不仅能提升飞行器侦查和探测能力，而且能更好地规避危险，实现精确打击。而设计一条让飞行能力和作战能力都达到最优的轨迹能最大程度延长飞行器飞行寿命，使飞行器飞行更远，耗油更少，节约成本。

轨迹优化问题涉及两个方面内容：数值方法和数值优化方法。求解轨迹优化模型首先通过数值方法将最优控制问题转化为参数优化问题，然后通过数值优化方法来求解参数优化问题。数值方法中的全局伪谱法虽然能够通过较少的节点获得较高精度的解，但是在求解大型复杂问题和非光滑问题时，其运用效果并不理想。因此已有的全局伪谱法轨迹优化方法不再适用于飞行器下压段轨迹优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统全局伪谱法在求解复杂非光滑问题时运行效果不理想的情况，提供了一种高超声速飞行器下压段自适应伪谱法轨迹优化方法。包括如下步骤：S1、建立高超声速飞行器下压段的动力学模型和运动学模型；S2、设定高超声速飞行器下压段的约束条件，包括动压约束、法向过载约束、端点约束和控制量约束；S3、运用数值方法自适应Radau伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题，分别以最大射程和最短时间为性能指标来进行优化；S4、运用数值优化方法序列二次规划算法求解非线性规划问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种高超声速飞行器下压段自适应伪谱法轨迹优化方法。包括如下步骤：

S1、建立高超声速飞行器下压段的动力学模型和运动学模型；

S2、设定高超声速飞行器下压段的约束条件，包括动压约束、法向过载约束、端点约束和控制量约束；

S3、运用数值方法自适应Radau伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题，分别以最大射程和最短时间为性能指标来进行优化；

S4、运用数值优化方法序列二次规划算法求解非线性规划问题。

上述高超声速飞行器下压段自适应伪谱法轨迹优化方法，优选的，首先建立高超声速飞行器下压段的运动模型，其中运动模型包括质心运动和绕质心转动的动力学模型、质心运动和绕质心转动的运动学模型两部分。