高速智能飞行器群协同制导控制与仿真

作     者：王维杰 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林玉荣

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 081105[工学-导航、制导与控制] 0802[工学-机械工程] 0811[工学-控制科学与工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：轨迹设计 弹道拼接 避碰控制 势函数梯度法 可视化仿真 

摘      要：近年来随着航空航天技术的发展,空天环境越来越复杂激烈,各国对于空天平台的投入与探索逐渐深入,飞行器集群系统在满足军事任务需求的同时,对系统安全验证的需求也逐步提高,为解决碰撞冲突提出了崭新的挑战,要求每个飞行器在系统中面对复杂外部环境时都能进行实时决策,从而在不干扰飞行器集群执行任务的同时解决碰撞问题。本文探讨的高速智能飞行器集群系统需要在完成预定弹道的同时,解决飞行器之间的碰撞冲突。不同于以往的传统多智能体系统二维航迹规划,该集群飞行器系统具有高速、三维机动、欠驱动、状态空间模型非线性等特点,需要提出一个适用于三维空间多刚体框架下的避碰控制律,在不影响飞行器自身制导控制律的同时规避碰撞,完成预设的目标。针对飞行器抵达目标空域并盘旋的任务需求,首先提出了一种多阶段弹道拼接的轨迹设计方法及制导律,分段设计飞行器的轨迹,根据飞行器状态约束进行弹道拼接,从再入段开始至末制导段结束。经过仿真验证,预设的弹道能够让飞行器到达指定空域,并盘旋足够长的时间,为后续避碰控制提供可靠的研究对象。针对飞行器集群系统的避碰问题,首先从数学上对碰撞问题进行描述,然后针对一般的非线性系统给出了广义的基于势函数梯度法的避碰控制律。针对本文所研究的飞行器集群系统,选取基于位置信息的状态向量子集构建势函数,提出了适用于该系统的避碰控制方法,并对上文的轨迹设计制导控制律进行了一般化处理,对总控制律进行了李雅普诺夫稳定性的证明,通过仿真验证了该控制律的有效性。经过验证,该避碰控制律能够有效阻止飞行器集群之间的碰撞问题,并能够让飞行器完成各自的预设弹道,但也同时存在避碰响应激烈、轨迹粗糙等问题,是一种保守的避碰控制策略。针对以上控制律存在的问题,重新建立碰撞问题的数学模型,在评估碰撞风险的时候加入了集群飞行器的动态信息,将飞行器感知区域球体切分为安全半球体、冲突半球体以及危险峰值锥体。根据该避碰数学模型重新提出了基于速度信息的避碰势函数,仅针对每对飞行器速度差矢量在彼此视线方向的投影量设计避碰控制律,同时针对系统死锁问题在控制向量的法向方向人为加入扰动以脱离死锁。该控制律具有只有在真正存在碰撞风险的时候才会触发、而其他时间维持飞行器固有制导控制律的特点。经过仿真验证,该控制律有效弥补了基于位置信息势函数法动态性能差、轨迹粗糙、避碰响应剧烈的缺陷,能够有效阻止飞行器碰撞的同时完成各自预设弹道,对飞行器固有的控制律影响更小,动态性能更好,是一种激进的避碰控制策略。最后,基于以上算法得到的仿真数据,通过Unity3D设计了一种可视化仿真平台软件,能够更直观有效地验证目标飞行器系统在避碰控制律下的状态,从弹道和姿态两个视角评估避碰控制律设计的优劣,验证了本文提出的两种避碰控制律的有效性。