高超声速飞行器再入末段轨迹在线优化

摘要

高超声速技术是一项汇聚航天、航空等技术优势的新兴技术领域，其制导控制系统的最大特点是非线性及大不确定性。因此需要制导系统提供实时、完整的未来飞行轨迹信息以实现远程目标点的快速精确打击，其中飞行轨迹的快速优化是制导系统需要解决的关键问题。本文以通用空天飞行器(CAV)再入模型为研究对象，采用基于凸优化求解工具CVXGEN实现的模型预测控制(MPC)算法，解决其再入末段轨迹优化问题。本文主要的研究工作如下：
　　首先，分析高超声速飞行器再入段受力情况，于弹道坐标系下建立其简化的再入运动方程；给出飞行器再入末段轨迹优化问题的多约束非线性数学描述，其中包括优化指标函数、状态方程约束、终端约束、状态量约束、控制量约束等。
　　其次，介绍凸优化算法的基础理论，包括凸函数的定义及性质、凸优化问题的标准形式等；研究其求解工具CVXGEN，它是一款在线接口软件，能够很好的求解二次型凸优化问题，并可将优化问题的求解时间控制在毫秒级。
　　再次，给出多约束非线性问题转换为凸优化问题的具体过程。提出理论依据，说明利用线性系统逼近非线性系统的可行性；进一步完成再入末段纵向平面和侧向平面轨迹优化问题的凸化处理；在此基础上引入模型预测控制(MPC)算法，并给出具体的数学描述。
　　最后，求解高超声速飞行器再入末段轨迹优化问题。分别从纵向运动、侧向运动及合成运动三方面求解，根据不同的飞行任务，求解具体的轨迹优化问题，最终给出最优飞行轨迹曲线图。
　　结果表明，本文采用的基于凸优化求解工具CVXGEN实现的模型预测控制(MPC)算法能够保证高超声速飞行器再入末段轨迹优化问题求解过程的实时性，并能实现多约束条件下目标点的精确打击。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的、背景及意义

1.2 高超声速技术发展现状

1.3轨迹优化方法研究现状

1.4 本文主要内容

第2章 高超声速飞行器再入轨迹优化问题描述

2.1 引言

2.2 基本坐标系的定义及转换

2.3 高超声速飞行器再入段运动模型

2.4 再入轨迹优化问题描述

2.5 本章小结

第3章 凸优化基础理论及其求解工具CVXGEN

3.1 引言

3.2 凸优化基础理论

3.3 CVXGEN

3.4 实例分析

3.5 本章小结

第4章 高超声速飞行器再入轨迹优化问题转换

4.1 引言

4.2 再入末段轨迹优化问题转换

4.3 在线轨迹优化的模型预测算法

4.4 算法验证

4.5 本章小结

第5章 高超声速飞行器再入末段轨迹优化问题求解

5.1 引言

5.2 纵向平面轨迹优化

5.3 侧向平面轨迹优化

5.4 再入末段三维轨迹的在线生成

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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