地形跟随飞行能量协调在线轨迹规划与跟踪

作     者：朱日楠 王彪 张瀚文 唐超颖 徐锦法 

作者机构：南京航空航天大学自动化学院 鹏城实验室 南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室 

出 版 物：《系统工程与电子技术》 (Systems Engineering and Electronics)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 0811[工学-控制科学与工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

基　　金：重庆市自然科学基金项目(CSTB2022NSCQ-LZX0068) 南京航空航天大学研究生科研与实践创新计划项目(xcxjh20230315)资助课题 

主　　题：地形跟随 能量协调 轨迹规划 模型预测控制 自适应预测时域 

摘      要：针对定速地形跟随全局离线规划方案数据存储量大、机动飞行油耗大等问题，提出基于级联模型预测控制（cascaded model predictive control，CMPC）的能量协调在线轨迹规划与跟踪方案。首先，利用飞行器纵向质点运动学模型设计MPC在线轨迹规划器。从能量分配原理出发确定速度变化规律，对于飞行时总能量不变而导致能量分配不合理的情况，引入虚拟控制量实现总能量动态调节，完成能量协调策略设计。其次，引入地形粗糙度概念描述地形起伏程度，基于此提出规划器自适应时域方案，对于不同地形实现预测时域动态调节。结合MPC轨迹跟踪控制器，并利用真实地形数据仿真验证表明，本文方案可在与全局离线规划方案航迹差异不大的前提下，实现在线轨迹规划，显著降低油耗、提高航程极限，完成复杂地形的机动飞行任务。