康 珅,趙 洪,卜奎晨,高 峰,鐘婧佳
(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京,100076)
近年來隨著飛行器性能的提升,對飛行器航跡規(guī)劃的要求日益提高,某些特殊場景中,既要求飛行器從特定的方向到達(dá)目標(biāo)點,又希望控制飛行器的飛行時間。針對多約束航跡規(guī)劃需求,本文重點研究視場角受限情況下的飛行時間和末端傾角控制導(dǎo)引律。
相對于分別研究末端兩項運(yùn)動學(xué)約束的文獻(xiàn),針對同時滿足飛行時間和末端傾角約束的導(dǎo)引律研究相對較少。文獻(xiàn)[1]、[2]中提出的方法采用相似的多約束導(dǎo)引律設(shè)計思路,首先設(shè)計最優(yōu)末端傾角控制導(dǎo)引律,之后估計該導(dǎo)引律的飛行時間,再根據(jù)估計飛行時間與期望飛行時間之差進(jìn)行反饋,形成飛行時間控制回路。文獻(xiàn)[3]設(shè)計了二階滑??刂坡捎糜诟櫰谕囊暰€角曲線,并對視線角曲線進(jìn)行航跡成型設(shè)計,從而同時滿足了飛行時間和末端傾角約束。文獻(xiàn)[4]采用彈目距離擴(kuò)展多項式生成導(dǎo)引指令,并通過線性化模型將期望約束與多項式系數(shù)關(guān)聯(lián)從而求解系數(shù)表達(dá)式。文獻(xiàn)[5]采用滑模導(dǎo)引律跟蹤虛擬目標(biāo)的方法實現(xiàn)了對移動目標(biāo)點的飛行時間和末端傾角約束導(dǎo)引。
本文采用任意階時間多項式設(shè)計前置角變化曲線并將飛行時間和末端傾角約束轉(zhuǎn)化為多項式邊界條件,形成了帶有飛行時間和末端傾角約束的導(dǎo)引律,相比現(xiàn)有文獻(xiàn)中方法,主要有如下優(yōu)點:a)飛行控制總消耗更接近最優(yōu)解;b)用戶可調(diào)參數(shù)物理意義明確;c)導(dǎo)引律結(jié)構(gòu)簡潔,有利于實現(xiàn)視場角約束。
本文考慮二維質(zhì)點運(yùn)動,以縱向平面為例,考慮飛行器M 和目標(biāo)點T ,二者相對運(yùn)動關(guān)系如圖1 所示。
圖1 飛行器-目標(biāo)點相對運(yùn)動幾何關(guān)系示意Fig.1 Engagement Geometry of Planar Guidance
飛行器法向加速度a 垂直于飛行器速度矢量,不改變其數(shù)值大小V 。前置角ε 與視線角、傾角之間的關(guān)系可表示為
則飛行器的運(yùn)動可由如下微分方程描述:
式中 r 為飛行器至目標(biāo)點相對距離。
本文探討飛行時間和末端傾角約束導(dǎo)引律,設(shè)計導(dǎo)引律控制飛行器以期望的傾角、在期望的飛行時間到達(dá)目標(biāo),即設(shè)計導(dǎo)引指令γ˙,對于給定的期望傾角 γd和期望飛行時間 td,當(dāng)且僅當(dāng)t = td時有r= 0,且同時滿足 γ = γd。
本文采用時間多項式設(shè)計前置角變化規(guī)律。由于所處理的問題帶有末端傾角和飛行時間兩個隱式約束,因此提前預(yù)留兩個多項式系數(shù)進(jìn)行用于滿足該約束,將前置角變化規(guī)律定義為n+2 階時間多項式:
式中 n 為正整數(shù); κn+2,κn+1, …κ0為待定系數(shù)。為確定這些系數(shù),需給出適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。首先式(5)必須滿足前置角初始條件,即:
式中iε 為前置角初始值。其次,為保證命中目標(biāo),需定義前置角終端條件:
除去飛行時間和末端傾角預(yù)留的兩項系數(shù)和邊界條件式(6)、式(7),式(5)中剩余n ?1 個系數(shù)待定,因此補(bǔ)充前置角終端條件如下:
至此,除可確定n+ 2階多項式中n 個系數(shù),剩余2 個用于滿足期望約束。由式(1)可知,可以通過量測獲得時,生成導(dǎo)引指令γ˙僅需要前置角變化率??紤]式(5)對時間的導(dǎo)數(shù),并認(rèn)為和,將其改寫為閉環(huán)形式:
顯然為得到ε˙需確定 κ1。將多項式最高階項系數(shù)κn+2和次高階項系數(shù)κn+1視為自由系數(shù),用于控制飛行時間和末端傾角。則將邊界條件代入式(5)得到閉環(huán)前置角變化率與多項式階數(shù)n 的關(guān)系,應(yīng)用數(shù)學(xué)歸納法得到:
式中 td為期望命中時間。
式(10)對時間積分,并代入初始條件式(6)得到前置角函數(shù)為
為控制飛行時間以及末端傾角,后續(xù)步驟需上述兩約束確定式(11)中的系數(shù)κn+1和κn+2,即導(dǎo)引系數(shù)。
線性化導(dǎo)引模型需要假設(shè)飛行器速度在水平方向上恒定不變,飛行器僅在垂直方向進(jìn)行修正機(jī)動,如圖2 所示。
圖2 線性化導(dǎo)引模型示意Fig.2 Linearized Engagement Geometry
定義y 為垂直偏差,則傾角與視線角可表示為
綜合式(11)、(13)~(15),并令t =td可得到傾角表達(dá)式為
上式準(zhǔn)確表達(dá)了線性化模型中的末端傾角約束。繼續(xù)建立飛行時間約束方程并確定κn+1。
將飛行軌跡長度表示為
式中 xf為距離目標(biāo)點的水平長度。之后假設(shè)飛行時間與水平距離線性相關(guān),可解得:
綜上,κn1+和κn+2確定后,前置角多項式(5)中所有系數(shù)均確定。
對于準(zhǔn)確描述實際問題的非線性導(dǎo)引模型,直接應(yīng)用經(jīng)過上述簡化計算而得出的結(jié)果,難免引入線性化誤差,對各項導(dǎo)引控制品質(zhì)造成負(fù)面影響,導(dǎo)致導(dǎo)引精度降低。因此本節(jié)中給出導(dǎo)引系數(shù)κn1+和κn+2的在線更新方法。
考慮當(dāng)前時刻視線坐標(biāo)系中的距離關(guān)系,有:
以當(dāng)前時刻為時間零點,則期望的飛行時間應(yīng)扣除已飛行時間,有:
同時,以當(dāng)前時刻飛行器各狀態(tài)的當(dāng)前值替換初始值:
期望的末端傾角應(yīng)變換至當(dāng)前視線坐標(biāo)系,根據(jù)角度關(guān)系有:
應(yīng)用上述替換,式(19)、式(17)和給出的導(dǎo)引系數(shù)可改寫為
可解得以當(dāng)前狀態(tài)更新的導(dǎo)引系數(shù)κn+1和κn+2,從而使導(dǎo)引律式(12)閉環(huán)。
本文認(rèn)為飛行器攻角相對于前置角較小,將飛行器視場角約束近似為航跡前置角約束。給出如下切換條件用于實現(xiàn)視場角約束:
其中ε˙由式(10)計算得到。式(29)的物理意義如圖3 所示,當(dāng)前置角的值進(jìn)入寬度為ρ 的限制區(qū)域內(nèi),并且有繼續(xù)發(fā)散的趨勢,將前置角的變化律置零,導(dǎo)引指令退化為;當(dāng)前置角變化率趨于收斂,允許式(12)生成的導(dǎo)引指令繼續(xù)控導(dǎo)引彈。
圖3 視場角約束示意Fig.3 Concept of Field of View Constraint
4.2.1 時間和傾角控制
本組算例中,飛行器的期望飛行時間固定為td=30 s,各子算例期望傾角和控制總消耗dt如表1 所示。子算例在導(dǎo)引律中均使用n=1,并與控制總消耗最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行對比,表中k/k'分別表示本文所提出方法和數(shù)值計算最優(yōu)結(jié)果。由表可知,各仿真條件中,所提出的導(dǎo)引方法控制總消耗與最優(yōu)結(jié)果僅相差7%以內(nèi)。彈道、傾角、前置角、加速度曲線分別如圖4~7所示。
表1 仿真算例1 控制總消耗結(jié)果Tab.1 Total Control Effort of Case1
圖4 算例1 彈道曲線Fig.4 Trajectory of Case 1
圖5 算例1 彈道傾角曲線Fig.5 Flight Path Angle Profile of Case 1
圖7 算例1 加速度曲線Fig.7 Acceleration Profile of Case 1
4.2.2 帶有視場角約束的時間和傾角控制
本組算例中,期望飛行時間 td=30 s,期望傾角γd= 0。視場角限制設(shè)置為 εmax=?εmin=50°,限制區(qū)域ρ=2°。飛行器自動駕駛儀延遲時間常數(shù)設(shè)置為τ =0.2 s。飛行器飛行時間誤差和期望傾角誤差如表2所示。其中2-1 開啟視場角約束式(29),2-2 關(guān)閉視場角約束。彈道及視場角曲線分別如圖8、圖9 所示。由圖8 可知,約2 s 時,視場角達(dá)到預(yù)設(shè)值,2-1 將視場角限制在了50°之內(nèi),而2-2 超出了視場角限制。由表2 可知,視場角約束方法式(29)對飛行時間和末端傾角的影響較小。
表2 仿真算例2 導(dǎo)引誤差結(jié)果Tab.2 Summary of Guidance Error
圖8 算例2 彈道曲線Fig.8 Trajectory of Case 2
圖9 算例2 視場角曲線Fig.9 Look Angle Profile of Case 2
本文采用時間多項式設(shè)計前置角變化規(guī)律,提出了帶有飛行時間和末端彈道角約束的導(dǎo)引律。引入前置角初始條件和命中目標(biāo)的終端條件,使多項式中待定系數(shù)減少至兩個,用于控制飛行時間和末端傾角。之后在線性化模型的基礎(chǔ)上,引入末端彈道角作為終端約束,建立了兩個系數(shù)之間的聯(lián)系,使待定系數(shù)減少至1 個。采用在線更新導(dǎo)引系數(shù)的方式,根據(jù)碰撞幾何及彈目相對運(yùn)動關(guān)系的變化不斷更新線性化模型,得到了閉環(huán)形式導(dǎo)引律。仿真結(jié)果表明,所提出的導(dǎo)引律在控制總消耗上十分接近最優(yōu)結(jié)果,能夠在視場角受約束情況下,有效實現(xiàn)對飛行時間和末端傾角的控制。