空天飛行器軌跡規(guī)劃與控制研究.pdf

1、近年來，隨著高超聲速飛行器、空間機(jī)器人等新型空天飛行器的快速發(fā)展，對(duì)空天飛行任務(wù)的靈活性、適應(yīng)性和安全性提出了更高的要求，因而任務(wù)規(guī)劃成為當(dāng)前空天領(lǐng)域研究熱點(diǎn)?？仗祜w行器軌跡規(guī)劃與控制具有狀態(tài)變量維數(shù)高、約束多、耦合性和不確定性強(qiáng)等特點(diǎn)，在理論和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上均提出了一定挑戰(zhàn)。論文深入研究了空天飛行器最優(yōu)軌跡規(guī)劃、在線軌跡規(guī)劃、不確定性軌跡規(guī)劃以及非線性魯棒控制等方法，并應(yīng)用于航天器電磁編隊(duì)構(gòu)形重構(gòu)和高超聲速滑翔飛行器再入飛行。論文由理論和

2、應(yīng)用研究?jī)刹糠纸M成，理論研究部分重點(diǎn)圍繞優(yōu)化規(guī)劃策略、提高求解效率和處理不確定性影響等問題展開：
　?。ㄒ唬┛紤]性能指標(biāo)優(yōu)化需求，在最優(yōu)控制理論框架下，建立了最優(yōu)軌跡規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型，采用分段 Radau偽譜法將其轉(zhuǎn)換為非線性規(guī)劃問題求解；進(jìn)而，針對(duì)Radau偽譜法求解Bang?Bang控制軌跡的不足，提出了基于協(xié)態(tài)映射定理和極大值原理的控制切換結(jié)構(gòu)檢測(cè)策略，并利用 Radau偽譜積分矩陣逐段將微分約束轉(zhuǎn)換為代數(shù)約束，仿真結(jié)果驗(yàn)

3、證了該方法的有效性。
　　（二）考慮規(guī)劃效率與精度要求，利用系統(tǒng)微分平坦屬性，將問題轉(zhuǎn)換為平坦輸出規(guī)劃問題，消除了微分動(dòng)力學(xué)約束且降低了規(guī)劃空間維數(shù)；進(jìn)一步，采用Chebyshev偽譜法參數(shù)化平坦輸出，并綜合共形映射和重心有理插值技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，有效降低了微分矩陣病態(tài)特性對(duì)規(guī)劃精度的影響。研究了微分平坦?解析同倫組合優(yōu)化方法，基于平坦方法生成的光滑軌跡構(gòu)建協(xié)態(tài)變量解析為零的輔助問題，化解了同倫法的初始化困難，同時(shí)提高了平坦方法對(duì)非光

4、滑軌跡的適用性。
　?。ㄈ┛紤]不確定性對(duì)軌跡規(guī)劃的影響，分析了空天飛行器的主要不確定性；針對(duì)強(qiáng)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，研究了基于隨機(jī)配點(diǎn)的不確定性分析方法，并與 Monte Carlo法對(duì)比，驗(yàn)證了前者的估算精度及計(jì)算效率優(yōu)勢(shì)。構(gòu)建了軌跡穩(wěn)健性指標(biāo)，并基于雙層嵌套式不確定性規(guī)劃框架建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，以綜合考慮穩(wěn)健性指標(biāo)和初始性能指標(biāo)；仿真表明該方法能夠有效降低軌跡對(duì)不確定性的靈敏度。
　　（四）研究利用反饋跟蹤控制消除不確定性影

5、響的方法：考慮控制能量與跟蹤效果，采用滾動(dòng)時(shí)域方法設(shè)計(jì)了魯棒最優(yōu)跟蹤控制律，并提出了求解有限時(shí)域兩點(diǎn)邊值問題的微分變換方法；考慮跟蹤偏差收斂時(shí)間，采用自適應(yīng)終端滑?？刂圃O(shè)計(jì)了有效時(shí)間跟蹤控制律；仿真驗(yàn)證了兩種跟蹤控制律的有效性與魯棒性。
　　論文應(yīng)用部分圍繞航天器電磁編隊(duì)和高超聲速滑翔飛行器展開：
　?。ㄒ唬┽槍?duì)電磁編隊(duì)構(gòu)形重構(gòu)任務(wù)，考慮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的強(qiáng)耦合性，分別采用自由磁偶極子解耦策略+Radau偽譜法和間接控制變量解耦策

6、略+微分平坦方法的規(guī)劃框架，設(shè)計(jì)了雙星和三星編隊(duì)的最優(yōu)構(gòu)形重構(gòu)軌跡；考慮系統(tǒng)的非線性和不確定性，設(shè)計(jì)了基于反饋線性化和自適應(yīng)終端滑?？刂品椒ǖ膬?nèi)外環(huán)組合控制策略，并仿真驗(yàn)證了構(gòu)形重構(gòu)控制律的魯棒性與有限時(shí)間收斂性。
　　（二）針對(duì)高超聲速滑翔式再入飛行任務(wù)，在無量綱地心距?速度剖面內(nèi)，建立了過載、動(dòng)壓和熱流密度三類過程約束的統(tǒng)一數(shù)學(xué)規(guī)律，推導(dǎo)了傾側(cè)角閉環(huán)解析解，并基于恒定過程約束飛行的策略生成了三自由度再入飛行軌跡。在狀態(tài)空間中，