复杂约束下飞行器轨迹快速优化设计

摘要

本文着眼于新型滑翔式再入飞行器在方案设计阶段的再入轨迹优化问题。飞行器再入过程经历的高度和飞行速度都跨越了较大的范围，且受防热和过载等方面的严格约束，同时高超声速再入飞行轨迹对控制变量非常敏感，这就给我们的研究带来了挑战。飞行器轨迹的快速生成，可以较为轻松地应对任何的突发事件，因此具有巨大的研究价值。本文的主要工作有：
　　首先，根据基本假设，建立飞行器的动力学、运动学方程。根据某通用航空飞行器的一组数据建立了空气动力学模型。然后分析说明了飞行器再入过程需要满足的过载约束和热流约束条件。对运动方程和约束条件做了无量纲化处理以后，得到了航程最大轨迹优化的最优控制问题。
　　其次，讨论了几种基于Legendre多项式的伪谱方法的相同点和不同点。根据我们所要解决的实际问题，着重说明了Legendre伪谱方法的基本原理和应用此方法解决最优控制问题的实施步骤。
　　然后，将前面得到的轨迹优化问题通过Legendre伪谱法转化为标准的非线性规划问题。最终决定把MATLAB作为求解带约束的非线性规划问题的有力工具，它在处理中尺度问题上使用了序列二次规划算法。通过仿真实验验证了算法的有效性，并对仿真结果进行了简要分析。
　　最后，为了进一步提高求解的精度而不增加不必要的计算负担，采用分段航程轨迹优化。原始轨迹在特定的能量点处进行分段。对全程轨迹优化、两段轨迹优化和三段轨迹优化的仿真结果进行了对比分析，可以得出结论：多段轨迹优化能增加航程，并且具有更高的计算效率和精度。

目录

复杂约束下飞行器轨迹快速优化设计

RAPID TRAJECTORY OPTIMIZATION FORFLIGHT VEHICLES WITH COMPLEXCONSTRAINTS

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 轨迹优化问题

1.3 伪谱方法的发展与研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 平面轨迹优化

2.1 飞行器运动学、动力学方程

2.2 气动力与气动系数

2.3 轨迹约束

2.4 运动方程无量纲化

2.5 航程最大轨迹优化

2.6 本章小结

第3章 Legendre 伪谱法求解最优控制问题

3.1 引言

3.2 伪谱法的基本理论

3.3 Legendre 伪谱法基本原理

3.4 最优控制问题的一般提法

3.5 Legendre 伪谱法实施步骤

3.6 本章小结

第4章 全局航程最大轨迹优化

4.1 问题描述

4.2 数值算法

4.3 仿真参数

4.4 仿真结果及分析

4.5 本章小结

第5章 航程分段轨迹优化

5.1 基本思想

5.2 航程分段优化

5.3 两段航程优化

5.3.1 第一段轨迹优化

5.3.2 第二段轨迹优化

5.3.3 优化结果

5.4 三段航程优化

5.4.1 第一段轨迹优化

5.4.2 第二段轨迹优化

5.4.3 第三段轨迹优化

5.4.4 优化结果

5.5 对比分析

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢