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飞行器航迹规划与航迹控制算法研究与实现

作　者: 赵玲玲
导　师: 马培军
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 航迹规划航迹控制状态反馈
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 1070次
引　用: 8次
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内容摘要

目前在飞行器航迹规划和航迹控制这一研究领域中,寻找飞行器最优航迹成为一个重要的研究方向。对于军用飞行器,能够最大限度的利用地形信息和敌情信息,综合考虑飞行器的各个相关的参数,为飞行器设计出生存概率最大的飞行航迹,是获取战争空间优势的基础。而目前的航迹规划算法时间复杂度比较高,收敛速度较慢,对突发障碍物的处理往往不及时,不适合战场环境下的航迹规划。针对这个特点,如果能够充分考虑飞行器航迹规划的实时性要求,设计出时间复杂性低的航迹规划算法,则有望突破传统的航迹规划算法的瓶颈,本文即以此为出发点,研究飞行器的航迹规划和航迹控制算法,及其在飞行器导航中的应用。本文首先对基于栅格法和人工势场法思想的离线航迹规划算法进行了研究。在离线航迹规划阶段,最优全局航迹规划和安全走廊可以通过综合地面计算机的大范围多种信息的方法来获得。全局参考航迹的生成算法采用改进的栅格法,安全走廊的宽度由规划中的误差范围来决定。其次,本文重点对实时航迹规划算法进行了研究。在飞行器运行过程中,在特定的时间间隔内要根据新的信息对参考航迹进行实时的更新。由于障碍物威胁程度的不同,采用了不同的策略来避免与其相撞,这些策略包括:忽略,绕行和躲避。与卡尔曼滤波相结合可以得到更精确的实时参考航迹。因此,此算法具有使飞行器规避突然出现的威胁源的实时修正航迹的能力。然后本文提出了用于控制飞行器在跟踪参考航迹过程中出现的航迹偏移和偏航角的航迹控制算法,该算法能有效地使航迹偏移量和偏航角在给定的时间约束内收敛。本文应用了输入输出线性化理论推导出状态反馈控制律。最后本文实现了飞行器飞行模拟演示系统。系统主要对飞行器飞行过程中的路径规划和航迹控制进行演示,实时的给出飞行过程中的各种主要参数的变化。仿真结果证明了航迹规划算法和航迹控制算法的有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题背景  10-12
    1.1.1 课题来源  10
    1.1.2 研究的背景、目的和意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-15
    1.2.1 航迹规划的国内外研究现状  12-15
    1.2.2 卡尔曼滤波的发展概况  15
  1.3 本文的主要研究内容和章节安排  15-17
第2章飞行器航迹规划算法研究  17-34
  2.1 航迹规划算法的理论基础  17-18
    2.1.1 航迹规划的定义  17
    2.1.2 栅格法  17-18
    2.1.3 人工势场法  18
  2.2 航迹规划算法的设计  18-19
    2.2.1 航迹规划要满足的约束  18-19
    2.2.2 航迹规划算法的总体结构  19
  2.3 全局航迹规划算法  19-25
    2.3.1 基于栅格的最优路径规划算法  19-21
    2.3.2 改进的全局路径规划算法  21-25
  2.4 局部动态航迹规划算法  25-30
    2.4.1 改进的障碍物威胁系数计算方法  26-27
    2.4.2 绕行策略  27-29
    2.4.3 躲避策略  29-30
  2.5 航迹平滑算法  30-31
    2.5.1 算法原理  30
    2.5.2 算法步骤  30-31
  2.6 航迹规划算法流程  31
  2.7 本章小结  31-34
第3章飞行器航迹控制算法研究  34-51
  3.1 飞行器航迹控制系统的数学模型的建立  34-36
    3.1.1 飞机质点运动方程的时标分析  34-36
    3.1.2 飞行器质点水平运动方程的建立  36
  3.2 卡尔曼滤波算法  36-38
    3.2.1 卡尔曼滤波算法原理  36-37
    3.2.2 随机线性离散系统的卡尔曼滤波基本方程  37
    3.2.3 卡尔曼滤波过程  37-38
  3.3 航迹反馈控制律的分析  38-45
    3.3.1 输入输出线性化理论  38-39
    3.3.2 航迹偏移方程的建立  39-40
    3.3.3 反馈控制律的建立  40-43
    3.3.4 反馈控制律收敛性的证明  43-45
  3.4 反馈控制算法流程  45
  3.5 反馈控制律中各参数的选取及仿真结果  45-50
    3.5.1 参数t 对反馈控制的影响  48
    3.5.2 参数k1对反馈控制的影响  48
    3.5.3 参数k2对反馈控制的影响  48-50
    3.5.4 各参数的取值方法  50
  3.6 本章小结  50-51
第4章飞行器飞行模拟系统设计与实现  51-62
  4.1 引言  51
  4.2 系统功能  51-53
    4.2.1 主显示区  51-52
    4.2.2 控制区  52
    4.2.3 数据显示区  52
    4.2.4 图表显示区  52-53
  4.3 系统实现方法  53
  4.4 系统运行结果  53-61
    4.4.1 航迹规划算法在系统中的实现  55-58
    4.4.2 卡尔曼滤波算法在系统中的实现  58-60
    4.4.3 状态反馈算法在系统中的实现  60-61
  4.5 本章小结  61-62
结论  62-64
参考文献  64-68
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明  68
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书  68
哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理  68-69
致谢  69

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