[发明专利]一种基于路径优选的飞行器绕多禁飞区轨迹优化方法

说明书

本发明提供一种基于路径优选的飞行器绕多禁飞区轨迹优化方法，其具体步骤如下：步骤一、建立路径优选问题模型；步骤二、路径选择与规划；步骤三、建立禁飞区规避轨迹优化的凸优化问题；步骤四、基于优选路径设计初始猜想，采用模型补偿方法迭代求解凸优化问题。通过以上步骤，可以提前规划一条优选的路径来指导初始猜想的选择，将最优解锁定在全局最优解附近，基于凸优化方法进行绕多禁飞区的轨迹优化，避免了凸优化求解多禁飞区轨迹优化问题时因依赖初始猜想陷入局部最优的现象；本发明所述方法科学，工艺性好，具有广阔推广应用价值。

技术领域

本发明提供一种基于路径优选的飞行器绕多禁飞区轨迹优化方法，属于航空航天技术中的轨迹规划领域。

背景技术

飞行器高超声速飞行必须满足复杂的约束条件，如热流率、动压、过载约束和终端约束等，也包括自然、军事等因素造成的复杂禁飞区约束。禁飞区是一种路径约束，禁飞区的数量越多、构型越复杂，飞行器在轨迹优化过程中的路径约束就越多，优化的解算难度就越大。

在现有文献中，基于凸优化的轨迹优化方法由于计算速度快，具有在线应用的潜力，因此得到了较为广泛的应用。但是，高超声速飞行器在大气层内飞行时，其运动模型中包括非线性的气动力和推力，因此离散化后的优化问题是非凸的。传统的做法是将非线性模型在参考轨迹处线性化，得到凸优化子问题，再进行外环迭代求解。然而，当模型中包含禁飞区约束时，禁飞区布置会引入众多局部最优解，使其优化结果往往与初始猜想具有相同的禁飞区规避策略，因此，初始猜想轨迹的路径选择将直接影响最终结果的全局最优性。然而，现有方法对于初始猜想的给定缺乏通用性，忽略了上层决策问题，为了提升轨迹的优化效果，需要进行路径选择和预规划，指导凸优化的初始猜想。

综上所述，本发明基于一种飞行器绕多禁飞区路径决策与规划方法，为轨迹优化提供一条初始轨迹，并对该禁飞区规避问题进行凸化求解，最终得到一条最优轨迹。该方法具有一定独创性。

发明内容

(一)本发明的目的

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于路径优选的飞行器绕多禁飞区轨迹优化方法，旨在为优化模型寻找一条预规划的初始猜想轨迹，并基于凸优化方法得到飞行器规避禁飞区的最优轨迹。

(二)技术方案

本发明提供一种基于路径优选的飞行器绕多禁飞区轨迹优化方法，其具体步骤如下：

步骤一、建立路径优选问题模型；

基于各禁飞区的相对位置设计虚拟路径点，建立有向图模型，使用深度优先遍历方法对从起点到终点的所有路径进行遍历，得到飞行器可行的绕飞路径；

步骤二、路径选择与规划；

对每条路径进行路径点跟踪制导，基于飞行器的运动学模型规划现有路径，并根据凸优化需求选择路径评价指标，得到指标最优的路径，作为参考轨迹的策略选择；

步骤三、建立禁飞区规避轨迹优化的凸优化问题；

将非凸非线性的运动模型和过程约束在参考轨迹处进行一阶泰勒展开线性化，并将问题离散转化为一系列凸子问题；

步骤四、基于优选路径设计初始猜想，采用模型补偿方法迭代求解凸优化问题；

将优选路径得到的最优路径作为设计凸优化初始猜想的绕飞策略，在之后的序列迭代过程中，将上一次优化结果作为本次线性化的参考轨迹，以此对模型进行补偿；当满足收敛条件时，停止求解；

其中，在步骤一中所述的“深度优先遍历方法”，是指图论中一个针对图和树的经典遍历方法，为公知技术；

其中，在步骤二中所述的“路径点跟踪制导”，是指以最小化路径点跟踪的能量消耗为优化目标，基于飞行器的运动学模型推导得到的解析制导指令表达式，为公知技术；