关键词：
最优控制
运动规划
运动控制
非线性规划
自适应动态规划
摘要：
航母是一类大型水面综合作战舰艇,搭载固定翼舰载机、直升机、无人机、牵引车等多种舰载装备。舰载装备在出动、回收、保障阶段都需要依托安全、可行的移动路径开展任务,任一环节发生事故都会严重削弱航母的综合战斗力。在出动阶段,需要为无人机编队规划航迹,使其在最短时间抵达目标点。在回收阶段,需要控制舰载机稳定地跟踪参考轨迹,安全降落在航母甲板上。在保障阶段,需要使牵引车安全移动到舰载机附近,为其提供调运保障服务。这三类问题均可基于最优控制问题的框架进行求解,根据具体任务场景进行运动规划与控制,高效躲避各类障碍物,对于提升各类舰载装备的任务执行效率有着重要的理论意义和应用价值。本文针对不同任务执行阶段舰载装备的运动规划和控制问题,建立了相应的最优控制模型,并基于最优控制问题的数值求解方法提出了有效的解决方案,主要内容如下:
1.考虑舰载无人机协同飞行的任务需求,结合动力学方程、避障需求、编队构型、通讯距离等约束条件,构建了时间最优控制问题。由于初解可能对数值求解最优控制问题的效果影响很大,低质量的初解甚至会使问题无法求解,我们设计了一种基于改进人工势场法的热启动策略提供高质量的最优控制问题初解。此外,针对严格编队约束设计了一种松弛策略处理编队构型,增加编队飞行过程中的灵活性,处理狭窄区域编队构型无法时时保持的情形。最后,通过直接法将最优控制问题离散为非线性规划问题,通过最优控制求解器启动解算,得到满足动力学约束的高质量协同轨迹。数值仿真验证了所提求解方法的高效性和鲁棒性,并且该方法可以扩展到多个编队的轨迹规划问题中。
2.由于舰载机在航母甲板上降落风险高、易发生事故,我们提出了一种基于自适应动态规划的自动着舰控制求解框架,辅助飞行员实现安全且高效的着舰过程。首先,为了时刻给舰载机提供理想着舰点位置的参考依据,设计了基于回声状态网络的运动预测模块,预测海洋环境下的甲板运动。其次,以舰载机的扩展纵向线性小扰动模型为状态方程,以扰动输入的变化率为控制输入,以最小化跟踪误差为性能指标函数,建立纵向着舰最优控制模型。最后,通过自适应动态规划对该问题进行求解,能够根据舰载机状态实时产生最优控制输入,实现不同海况下舰载机的平稳着舰控制。仿真算例表明,在低、中、中高和高海况下所提方法均能够控制舰载机自动降落在理想着舰点附近。
3.航母甲板环境复杂且调运任务密集,为了实现甲板环境上的自主调运,基于全自动牵引车,我们设计了一种在线轨迹规划方法。首先,为使移动距离最短并获得避障性能,设计了一种结合移动距离、航向角、到目标点距离和人工势场法合力指标的性能指标函数。其次,以牵引车的位置和航向角为状态量,以左右轮的线速度为控制输入,综合牵引车的运动方程、物理限制、避障需求等约束条件和新设计的性能指标函数,建立最优控制问题模型。然后,由于自适应动态规划具有在线求解能力,可通过该方法近似控制策略和性能指标函数,以寻求问题的最优控制。最后,通过收敛性分析为该问题的求解提供了理论保证。不同场景下的仿真算例表明该方法在较拥挤的空间中仍能获得较好的规划效果,并且在算例场景中可以实时规划牵引车的轨迹以避让其他运动系统。
综上所述,本文从舰载装备出发,综合考虑任务需求和各类约束条件,从建立最优控制问题模型和设计相应数值求解算法两方面展开运动规划与控制相关的研究工作。这对于提升舰载装备的任务执行效率和航母的综合战斗力具有重要意义,具备进一步开发应用的潜能,同时所提出的求解方法也可用于其他运动规划与控制问题的研究。
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