[发明专利]面向宽域飞行的多模态精确划分方法

说明书

本发明涉及一种面向宽域飞行的多模态精确划分方法，通过需求分析确定影响飞行器宽域爬升过程多模态划分的关键因素，作为模态指示变量；依据需求分析和先验知识进行稳定模态的初步确定，保证模态按照实际的时序排列；对飞行器离线数据进行模态划分与识别，结合稳定模态初步划分结果和相似度分析实现稳定模态和过渡模态的准确划分；基于多模态精确划分结果设计模态切换策略，最终给出面向飞行的多模态切换系统；本发明通过经验/数据双驱动的方式实现了飞行器宽域爬升过程多模态的精确划分，并依据稳定模态类别归属和过渡模态起止时刻设计了多模态过程切换策略，有助于宽域飞行多模态的平滑切换，提升了飞行安全性，适用于工程应用。

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，特别是涉及一种面向宽域飞行的多模态精确划分方法。

背景技术

随着航空航天技术的快速发展，飞行器的包线越来越宽，使得飞行器从地面水平起飞并进行宽域飞行成为了可能。飞行器在宽域爬升过程中，速度不断增加至高超声速，将在远程快速运输、太空旅行、全球快速打击等方面发挥重要作用。

宽域飞行过程中，飞行器可能面临不同的动力模式、气动构型和飞行任务，导致存在多种飞行模态。多模态是飞行器宽域爬升过程的普遍特性，需要针对不同模态建立不同的模型并设计不同的控制器，因此飞行器宽域爬升过程是多模态飞行控制器的切换过程，多模态的精确划分和识别对飞行器切换控制系统设计至关重要。宽域飞行过程包含多个稳定飞行模态，不同的稳定模态之间存在不同的过渡模态，已有工作多根据经验进行宽域飞行模态划分且忽略过渡模态，无法实现多模态的精确划分识别和相邻稳定模态间的平稳转换，安全性较差，不利于工程实现。因此研究面向宽域飞行的多模态精确划分方法对于飞行多模态切换控制研究意义重大且有着迫切需求。

发明内容

要解决的技术问题

为了克服现有飞行多模态划分方法实用性差的不足，本发明提供一种面向宽域飞行的多模态精确划分方法。

技术方案

一种面向宽域飞行的多模态精确划分方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：基于飞行任务和指令知识库，对飞行器宽域爬升过程中的需求进行分析，确定影响飞行多模态划分的关键因素，作为模态指示变量；

步骤2：充分考虑模态识别的经验风险，依据先验知识进行稳定模态的初步确定，给出飞行器宽域爬升的稳定模态个数N₀和每个稳定模态的运行时间S_n,n＝1,2,…,N₀，进一步分析多模态间逻辑关系，保证模态按照实际的时序排列；

步骤3：基于改进的K-means聚类算法对飞行器离线数据进行模态划分与识别，实现稳定模态和过渡模态的准确划分；

步骤4：基于划分的多个稳定模态建立多模态模型集，基于过渡模态设计模态切换策略，结合多模态模型集和模态切换策略构建面向宽域爬升的飞行器切换系统；

将面向宽域爬升的飞行器系统写成如下所示的多输入多输出切换系统

其中，X_i,i＝1,2,…,n为状态变量，f_i,σ(t)和g_i,σ(t)为非线性函数，u_σ(t)为控制输入，σ(t):[0,∞)→M＝{1,2,…,m}为切换信号；

对于切换信号而言，其个数m等于划分的稳定模态个数N₀，其切换策略具体描述为：切换信号依据多模态过程时序进行切换，在稳定模态内，调用相应的模态模型并设计控制器；在过渡模态内，由于过渡模态时间很短，如果过渡模态起始时刻在前序稳定模态的最后一个窗口内，则调用前序稳定模态对应的模型，如果过渡模态起始时刻在过渡模态的第一个窗口内，则调用后序稳定模态对应的模型，同时设计软切换控制。