[发明专利]一种基于NSP算法的舰载机甲板路径规划最优控制方法

说明书

本发明公开了一种基于NSP算法的舰载机甲板路径规划最优控制方法，属于舰载机的自动化与最优控制技术领域。在对舰载机甲板路径规划及其最优控制问题进行分析的基础上，打破原有方法不能兼顾路径规划与控制问题且所得路径难以满足末端约束的不足，结合舰载机滑行的运动约束、障碍约束、控制变量和状态变量约束以及末端约束，建立舰载机甲板的路径规划最优控制模型，并基于Newton迭代法、辛算法以及伪谱法，提出NSP算法对最优控制模型进行快速求解，有效地解决了舰载机甲板的精确路径规划与控制问题，同时提高了计算效率和精度，所得到的路径可严格满足末端约束。本发明能够为舰载机甲板路径规划与控制问题提供合理的解决方案。

技术领域

本发明属于舰载机甲板路径规划技术领域，特别是涉及一种基于NSP算法的舰载机甲板路径规划最优控制方法。

背景技术

舰载机在甲板上的路径规划最优控制技术主要包含对场景进行建模、路径规划以及最优控制问题，在设计路径规划最优控制方法时，需要兼顾实时性和精确度这两个方面。

目前，在舰载机甲板路径规划问题上，常用的方法主要包括：基于节点的搜索算法、势场法、基于伪谱法的最优控制方法这3类。但各个系统均存在各种不足，其中基于节点的搜索算法和势场法的主要缺陷有：

(1)在进行路径规划时，只考虑如何避障并以最短距离问题，并未考虑时间-能量最优问题；

(2)未考虑路径规划的最优控制问题；

(3)对起点和终点的姿态信息考虑不全面；

(4)一般均未考虑非完整运动约束、控制约束的条件；

而基于伪谱法的最优控制方法主要存在求解效率低、精度不高，以及在配点较多的情况下易发生“维数灾难”的缺点。

当前，工程应用上迫切需要一种能兼顾计算精度和效率的、具有良好适用性的舰载机甲板路径规划最优控制算法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于NSP算法的舰载机甲板路径规划最优控制方法，其能兼顾计算精度和效率、具有良好的适用性。

本发明所采用的技术方案是：根据舰载机在甲板上路径规划问题中的运动约束、障碍约束以及时间—能量最优的Bolza型目标函数，建立舰载机在甲板上的路径规划最优控制模型，并基于Newton迭代法、辛算法中的第三类生成函数以及伪谱法各自的优势建立NSP算法对模型进行求解，以快速获取最小时间—能量所对应的路径、控制律以及运动时间，有效地解决了舰载机在甲板上的精确路径规划与最优控制问题。

作为优选，将舰载机前轮的转向角变量的正切值u₁和平移加速度u₂作为控制变量，将2个位置坐标(x,y)、方向变量θ以及平移速度变量V作为状态变量，构建的舰载机在甲板上的运动约束模型为：

其中，边值条件为X(t₀)和X(t_f)。

并采用下列公式来描述障碍物约束

考虑到要尽可能的保证运动时间短、运动速度更加平稳，以及需要尽可能的使舰载机在甲板上少转弯的因素，可认为目标函数为一个时间—能量最优的Bolza型代价目标函数。将系统的控制变量约束、状态变量约束以及公式(2)统一描述为h(X(t),U(t),t)≤0，则可构建舰载机甲板的路径规划最优控制模型为：

根据公式(1～3)，并基于Newton迭代法、第三类生成函数的保辛伪谱算法的NSP算法，对终端时间t_F以及对应的最优轨迹进行求解，可得出最优轨迹对应的最优解，具体的计算步骤为：