[发明专利]一种基于正实B样条的飞行器轨迹优化方法

说明书

本发明涉及一种基于正实B样条的飞行器轨迹优化方法；首先，针对飞行器飞行轨迹规划问题，搭建飞行器飞行的运动学模型和动力学模型，并将其转化为微分平坦系统模型；其次，针对飞行器飞行速度约束问题，将其由非凸约束转化为分段凸约束问题，利用正实B样条性质，将其转化为B样条函数控制点的优化问题；再次，针对飞行器地理环境约束问题，将其转化为B样条函数控制点的优化问题；最后，将系统轨迹规划问题转化为LMI优化问题，得到符合约束的控制点的最优解，并利用B样条函数得到飞行器的最优轨迹。此方法可用于飞行器飞行路径规划过程。

技术领域

本发明涉及一种基于正实B样条的飞行器轨迹优化方法，针对飞行器飞行过程中的轨迹规划问题，采用B样条参数化方法，转化为LMI问题，得到最优轨迹，与传统优化方法相比，提高了避障的精确性和安全性，涵盖了更多种类约束的处理，并一次完成在各维度的轨迹规划，提高了效率，增强了实际工程应用价值。

背景技术

飞行器是指在大气层内或(与)大气层外空间(太空)飞行的器械，在大气层内的飞行器主要有：航天运载器、(民用、军用)飞机，各种导弹(地地、地空、地天、天地、空空、空地、各种巡航)、无人机、中高空(临近空间)飞行器、微型飞行器等；在大气层外的飞行器主要有：卫星、天基飞行器系统、月球探测飞行器、深空探测飞行器等。无论在工程生产中还是军事活动中，飞行器都有着重要的地位。尤其在现代防空对战任务中，飞行器在低、中、高空的侦察、作战能力强的特点使得飞行器成为首选。在进行低空操作时，飞行器受到的环境影响很多，加上飞行器本身的性能因素，使得飞行器可行的飞行空间被严格限制。如何安全、快速的飞行至目标区域成为飞行器飞行的重要研究内容。而安全的飞行接近过程在于飞行器的飞行轨迹，因而飞行器的轨迹优化设计在整个飞行器设计环节中占有重要的地位，对总体、气动、控制、动力及结构等多个分系统的设计有着极为重要的影响。同时，飞行器的轨迹规划决定着能否匹配(静态与动态的优化组合)飞行器的各个子系统，使其达到最佳的性能指标(起飞重量最小、燃料消耗量最少、有效载荷最大、最大可靠性、最低成本)。因此，在就飞行器设计而言，轨迹优化设计是其成功与否的重要因素之一，对其有着非常重要的工程应用价值。飞行器安全路径规划是亟需完善的关键技术，关系到低空飞行任务的成功与否。专利申请号为201410457163.2中提出了基于微分平坦与B样条的时间最优桥式吊车轨迹规划方法，但存在两个问题：(1)由于吊车本身对象运动属性，使得此轨迹规划方法是平面轨迹规划，未考虑三维空间的轨迹优化问题；(2)发明利用多项式优化算法直接对B样条控制点进行表示，计算量大，在取控制点较多的情况下效率偏低；专利申请号为201310303352.X中提出了一种基于在线构图的飞行器返航路线规划方法，但其滚动优化中每一时刻的优化结果需要利用上一时刻信息进行迭代，计算量大，效率较低，对处理器计算能力和速度要求高。为解决此问题，亟需设计一种飞行器轨迹优化方法

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供低空状态下飞行器轨迹优化方法，得到光滑性良好、可解决实际工程问题的飞行器优化轨迹。

本发明的技术解决方案为：一种基于正实B样条的飞行器轨迹优化方法，其特征在于：针对飞行器飞行过程中的轨迹规划问题，采用B样条参数化方法，转化为LMI问题，得到最优轨迹，与传统优化方法相比，提高了避障的精确性和安全性，涵盖了更多种类约束的处理，并一次完成在各维度的轨迹规划，提高了效率，增强了实际工程应用价值。

具体包括以下步骤：首先，针对飞行器飞行轨迹规划问题，搭建飞行器飞行的运动学模型和动力学模型，并将其转化为微分平坦系统模型；其次，针对飞行器飞行速度约束问题，将其由非凸约束转化为分段凸约束问题，利用正实B样条性质，将其转化为B样条函数控制点的优化问题；再次，针对飞行器地理环境约束问题，将其转化为B样条函数控制点的优化问题；最后，将系统轨迹规划问题转化为LMI优化问题，得到符合约束的控制点的最优解，并利用B样条函数得到飞行器的最优轨迹。此方法可用于飞行器飞行路径规划过程；具体步骤如下：