[发明专利]一种用于高空滑翔UUV纵平面弹道控制的方法

说明书

本发明提出一种用于高空滑翔UUV纵平面弹道控制的方法，主要基于滚动时域优化算法原理，针对高空滑翔UUV纵平面弹道控制要求，采用滚动时域优化算法通过在线求解有限时域内的受约束优化问题，获得滑翔UUV在未来一段时间内的局部最优控制指令，实现滑翔UUV在到达指定的开伞区域时满足期望的系统速度，同时该控制方法能够实时响应周围环境对滑翔UUV造成的扰动，确保系统以可接受的精度运行。

技术领域

本发明涉及UUV控制技术领域，具体为一种用于高空滑翔UUV纵平面弹道控制的方法，基于滚动时域优化进行弹道控制。

背景技术

无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的快速发展极大地增强了人类对海洋的探测、开发与利用。由于部分海域的周边环境恶劣，不允许水面舰船进行近距离UUV布放，因此，研究人员提出高空滑翔UUV的概念。图1为高空滑翔UUV的示意图。

高空滑翔UUV结合了高空滑翔飞行器技术与无人水下航行器技术。该装备可以通过飞行器进行高空投放，依靠自身搭载的飞行装置做无推动力滑翔。在抵达预定的开伞减速区域时，滑翔UUV将开启减速伞，使其以安全速度入水作业，如果入水速度过快会导致UUV本体损伤甚至损毁，导致任务失败。而由于滑翔UUV的初始投放速度很大、投放海拔很高，因此需要一套合理有效的弹道控制方法，使得滑翔UUV能在到达预定区域时，速度减小到安全值以下。根据现有的应用背景和空投水平，滑翔UUV大都在4000-5000m的海拔被投放，初始速度在200-300m/s，并预计在1000m的海拔高度、速度减小至100m/s时开伞减速。

在现有的弹道控制方法中，比例导引法是比较成熟的方法之一。该方法原理简单，易于实现，不需要考虑系统模型，广泛应用在导弹拦截等领域。随着应用面的扩大，科研人员又设计了改进的PID比例导引、修正比例导引等方法。但是这些方法都不易考虑对系统速度的要求，也就无法控制滑翔UUV在到达指定位置时满足期望的系统速度。

最优导引法也是一种工程中常用的弹道控制方法。在给定系统模型、初始状态和终端状态后，该方法可以在满足多项系统约束的前提下，生成全局最优的控制指令。但是滑翔UUV的运行过程是一个高机动性的动态过程，显然不可能在投放前精确指定系统的初始状态。而且滑翔UUV在运行时会受到来自周围环境的多种扰动，最优导引法不能实时修改控制指令，以致系统的运行精度大大降低。

发明内容

滚动时域优化算法通过在线求解有限时域内的受约束优化问题，获得系统在未来一段时间内的局部最优控制指令。该方法起源于工业过程控制问题，现已应用在运动规划、轨迹跟踪等诸多领域。本发明为解决现有技术存在的问题，基于滚动时域优化算法原理，针对高空滑翔UUV纵平面弹道控制要求，提出一种用于高空滑翔UUV纵平面弹道控制的方法，能够实现滑翔UUV在到达指定的开伞区域时满足期望的系统速度，同时该控制方法能够实时响应周围环境对滑翔UUV造成的扰动，确保系统以可接受的精度运行。

本发明的技术方案为：

所述一种用于高空滑翔UUV纵平面弹道控制的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立滑翔UUV在纵平面的运动模型：