欠驱动刚性航天器时间最优轨迹规划设计 被引量：10

1

作者 庄宇飞 马广富 黄海滨 《控制与决策》 EI CSCD 北大核心 2010年第10期1469-1473,共5页

应用伪谱法解决欠驱动刚性航天器的时间最优轨迹规划问题.首先建立欠驱动刚性航天器的动力学和运动学模型,对于给定的初末姿态,选取机动时间最短为待优化的性能指标,并考虑到实际控制输入受限,将其转化为优化过程中的不等式约束条件;然... 应用伪谱法解决欠驱动刚性航天器的时间最优轨迹规划问题.首先建立欠驱动刚性航天器的动力学和运动学模型,对于给定的初末姿态,选取机动时间最短为待优化的性能指标,并考虑到实际控制输入受限,将其转化为优化过程中的不等式约束条件;然后应用Legendre伪谱法,将优化问题离散化为非线性规划问题进行求解.仿真结果表明,应用伪谱法规划得到的欠驱动航天器最优轨迹,能够较好地满足各种约束条件,而且计算精度高、速度快,具有良好的实时性. 展开更多

关键词 轨迹规划 时间最优 欠驱动 输入受限 伪谱法

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编队卫星队形重构防碰撞最优轨迹规划 被引量：7

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作者 黄海滨 马广富 庄宇飞 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第9期1818-1823,共6页

针对编队卫星队形重构的轨迹规划问题,提出了直接配置混合整数线性规划(DCMILP)方法。首先将卫星编队飞行问题进行简化,整个过程使用线性化描述;继而将三阶Simpson方法扩展至编队卫星的队形重构过程中,将各卫星的状态量和控制量在各节... 针对编队卫星队形重构的轨迹规划问题,提出了直接配置混合整数线性规划(DCMILP)方法。首先将卫星编队飞行问题进行简化,整个过程使用线性化描述;继而将三阶Simpson方法扩展至编队卫星的队形重构过程中,将各卫星的状态量和控制量在各节点处离散化;然后根据目标函数及碰撞规避问题等各种约束条件,将整个过程转化为混合整数线性规划问题,从而可以找到该非凸问题的全局最优解。最后,通过对三维和二维两组编队卫星队形重构进行仿真,由结果可以看出,与传统方法相比该方法快速有效,能够满足实时性的要求,使得卫星编队的自主运行成为可能。 展开更多

关键词 队形重构 碰撞规避 直接配置法 混合整数线性规划 非凸优化

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基于微分平滑的欠驱动刚性航天器时间最优轨迹规划研究(英文) 被引量：6

3

作者 庄宇飞 马广富 +1 位作者 李传江 黄海滨 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第8期1753-1761,共9页

针对非轴对称欠驱动航天器提出了一种新的基于微分平滑特性的时间最优轨迹规划算法。首先,在控制输入受限的约束条件下,对给定的初末姿态,选取航天器机动时间最短为待优化的性能指标。其次,在欠驱动航天器的非受控轴上引入虚拟控制输入... 针对非轴对称欠驱动航天器提出了一种新的基于微分平滑特性的时间最优轨迹规划算法。首先,在控制输入受限的约束条件下,对给定的初末姿态,选取航天器机动时间最短为待优化的性能指标。其次,在欠驱动航天器的非受控轴上引入虚拟控制输入,扩展系统的平滑特性,从而使得系统的姿态和控制输入变量均可由平滑输出函数及其各阶导数代数表征;同时为保证优化问题的等价性,引入虚拟控制输入始终为零的附加等式约束。进一步,利用伪谱法离散系统的平滑输出函数,将优化问题最终转化为一个低维的,仅含有代数约束的非线性规划问题,且无需积分求解系统的动态力学方程。仿真结果表明该算法不仅能够有效地减少优化所需的时间,而且运算精度较高。 展开更多

关键词 轨迹规划 微分平滑 伪谱法 欠驱动

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基于伪谱法的编队卫星队形重构防碰撞轨迹优化 被引量：6

4

作者 黄海滨 马广富 +1 位作者 庄宇飞 吕跃勇 《控制与决策》 EI CSCD 北大核心 2012年第4期551-556,共6页

提出了基于伪谱法的编队卫星队形重构最优轨迹规划方法.首先,应用Legendre伪谱法将队形重构问题离散化为非线性规划问题;然后,通过庞特里亚金极小值原理计算出不考虑碰撞规避问题时各星最优轨迹的解析形式,并由此计算出各星间的碰撞点;... 提出了基于伪谱法的编队卫星队形重构最优轨迹规划方法.首先,应用Legendre伪谱法将队形重构问题离散化为非线性规划问题;然后,通过庞特里亚金极小值原理计算出不考虑碰撞规避问题时各星最优轨迹的解析形式,并由此计算出各星间的碰撞点;最后,在碰撞点附近设置符合高斯分布的测试点,进一步避免各星在配置点间发生碰撞.仿真结果表明,应用所提出方法得到的队形重构的最优轨迹能够较好地满足各种约束条件,计算精度高、速度快,使得编队卫星自主重构成为可能. 展开更多

关键词 队形重构 轨迹规划 碰撞规避 伪谱法 高斯分布

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基于分布式反集群算法的无人水面艇区域覆盖方法 被引量：6

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作者 李亚南 黄海滨 +1 位作者 庄宇飞 蔡春伟 《导航与控制》 2019年第1期60-67,共8页

海上无人系统覆盖问题可广泛应用于搜索营救、区域侦察观测、信息采集等任务,针对无人水面艇对海面区域进行区域覆盖的问题,采用模仿独居动物社会行为的分布式反集群算法,使得无人水面艇系统能够通过自组织行为实现良好的动态覆盖性能,... 海上无人系统覆盖问题可广泛应用于搜索营救、区域侦察观测、信息采集等任务,针对无人水面艇对海面区域进行区域覆盖的问题,采用模仿独居动物社会行为的分布式反集群算法,使得无人水面艇系统能够通过自组织行为实现良好的动态覆盖性能,因此使其具有更高的可扩展性及环境适应性。首先建立个体的包含覆盖历史的信息图,其次进行反集群算法的避障、去中心化及自私这3个基本属性的数学公式描述,然后计算每个个体在每一时刻的最大化收益方向,使得每个个体能够最大化累计覆盖面积及最小化个体之间的重叠覆盖部分。仿真结果表明,基于覆盖历史及个体局部通信交互,能够实现避障功能,并且可以达到100%的覆盖率,同时可尽量减少重叠覆盖。 展开更多

关键词 无人水面艇 区域覆盖 分布式反集群算法 分布式信息图

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基于协同进化粒子群和Pareto最优解的卫星编队队形重构方法 被引量：5

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作者 黄海滨 马广富 +1 位作者 庄宇飞 吕跃勇 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第11期2073-2082,共10页

针对卫星编队自主队形重构问题,提出了基于协同进化粒子群优化(CPSO)和Pareto最优解的求解方法。首先,使用Legendre伪谱法(LPM)将队形重构问题离散化为非线性规划(NLP)问题;其次,根据卫星编队的特点及碰撞规避的需要,使用CPSO算法对重... 针对卫星编队自主队形重构问题,提出了基于协同进化粒子群优化(CPSO)和Pareto最优解的求解方法。首先,使用Legendre伪谱法(LPM)将队形重构问题离散化为非线性规划(NLP)问题;其次,根据卫星编队的特点及碰撞规避的需要,使用CPSO算法对重构问题采用既独立又集中的求解方式,避免了传统优化方法对梯度的求解;然后,使用一种深度-广度优先搜索(D-BFS)算法,能够高效地找到CPSO进化中所有Pareto最优解,提升了算法的效率。仿真结果表明,该方法快速有效,能够满足实时性的要求,使得卫星编队的自主运行成为可能。 展开更多

关键词 队形重构 碰撞规避 伪谱法 协同进化粒子群优化 PARETO最优解

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深空环境下卫星编队飞行队形重构实时重规划 被引量：4

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作者 黄海滨 马广富 +1 位作者 庄宇飞 吕跃勇 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第3期325-333,共9页

针对深空环境中卫星编队自主队形重构的机动问题,设计了队形重构过程中的实时重规划方案。在每次重规划过程中首先用Legendre伪谱法将当前时刻到终端时刻的重构问题离散化为非线性规划问题;其次,根据卫星编队飞行队形重构的特点,使用协... 针对深空环境中卫星编队自主队形重构的机动问题,设计了队形重构过程中的实时重规划方案。在每次重规划过程中首先用Legendre伪谱法将当前时刻到终端时刻的重构问题离散化为非线性规划问题;其次,根据卫星编队飞行队形重构的特点,使用协同进化粒子群(CPSO)方法对每次重规划进行求解,该方法既避免了传统优化方法对复杂问题梯度的求解,又能在整个优化过程中保证约束条件的满足,并且能够事先为粒子群的进化提供大致方向,极大地提高了每次重规划的计算速度;最后,提出了重构过程中具体的重规划策略,以保证队形重构的顺利进行。仿真结果表明,与传统的控制方法相比,在重构过程中,该方法能够在初始给定轨迹的基础上进一步优化,可以有效降低重构过程的能量消耗,并能够避免重构过程中碰撞的发生。 展开更多

关键词 队形重构 碰撞规避 伪谱法 协同进化粒子群 实时重规划

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欠驱动刚性航天器可行轨迹生成算法研究(英文) 被引量：1

8

作者 马广富 庄宇飞 +1 位作者 李传江 黄海滨 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第2期355-360,共6页

研究了仅有两个独立控制力矩的轴对称欠驱动刚性航天器的可行轨迹生成问题。首先,由系统模型推导出轴对称欠驱动航天器可行轨迹必须满足的状态约束条件;其次,基于轴对称欠驱动航天器的微分平滑特性,提出了一种可行轨迹生成算法。该算法... 研究了仅有两个独立控制力矩的轴对称欠驱动刚性航天器的可行轨迹生成问题。首先,由系统模型推导出轴对称欠驱动航天器可行轨迹必须满足的状态约束条件;其次,基于轴对称欠驱动航天器的微分平滑特性,提出了一种可行轨迹生成算法。该算法针对欧拉角姿态描述的系统模型,不仅能够有效地简化系统平滑变换中的奇异点避让问题,而且即使是在大角度机动的情况下,仍然能够保证轴对称欠驱动航天器的姿态角速度和相应的控制输入力矩始终保持在合理的范围内。仿真结果表明,该算法计算量小、计算速度快,这使得欠驱动航天器后续的轨迹规划和轨迹跟踪等算法的在线实际应用成为可能。 展开更多

关键词 轨迹生成 欠驱动航天器 轴对称 微分平滑

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变化海流环境下AUV能量最优三维路径规划 被引量：2

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作者 李亚南 黄海滨 +2 位作者 陈亮名 庄宇飞 王晓丽 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2021年第12期3667-3674,共8页

为获取变化海流环境下自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)的能量最优路径,基于最优控制理论提出一种用于AUV的三维能量最优路径规划算法。首先,为了有效抑制海流对路径规划的影响,将海流向量加入到AUV运动学模型中。其... 为获取变化海流环境下自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)的能量最优路径,基于最优控制理论提出一种用于AUV的三维能量最优路径规划算法。首先,为了有效抑制海流对路径规划的影响,将海流向量加入到AUV运动学模型中。其次,在已知俯仰角及AUV位置的情况下,利用庞特里亚金极小值原理,获得能量最优控制律。最后,利用线性定常系统的状态空间理论,计算得到初始艏向角、航速以及能量消耗。在仿真环节,通过与负反馈控制策略相比较,说明所提算法能够规划出三维能量最优路径,而且可以有效降低AUV的能量消耗。 展开更多

关键词 水下自主航行器 能量最优路径规划 变化海流 最优控制

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欠驱动航天器实时最优控制算法设计 被引量：2

10

作者 庄宇飞 黄海滨 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2013年第7期1477-1485,共9页

针对欠驱动刚性航天器,提出了时间最优的闭环状态反馈控制算法。首先,利用直接Legendre伪谱法规划出航天器开环的姿态机动轨迹,并验证了所得最优控制输入的可行性。然后,以航天器实际运行轨迹与开环轨迹间的偏差为变量构造偏差方程,并... 针对欠驱动刚性航天器,提出了时间最优的闭环状态反馈控制算法。首先,利用直接Legendre伪谱法规划出航天器开环的姿态机动轨迹,并验证了所得最优控制输入的可行性。然后,以航天器实际运行轨迹与开环轨迹间的偏差为变量构造偏差方程,并提出了基于间接Legendre伪谱法的最优姿态稳定控制算法。最后,采用实时重规划策略实现了稳定控制器状态的反馈,从而完成了对参考轨迹的闭环跟踪。仿真结果表明所提算法运算量小,计算速度快,可以实时获取解析形式的控制输入修正量,而且对初始姿态存在扰动的情况具有一定的鲁棒性,运算精度较高。 展开更多

关键词 最优控制 轨迹规划 轨迹跟踪 伪谱法 欠驱动航天器

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基于集群运动控制的无人艇覆盖部署方法 被引量：2

11

作者 庄宇飞 李亚南 +2 位作者 黄海滨 王晓丽 姜来想 《中国造船》 EI CSCD 北大核心 2020年第S01期52-59,共8页

为了实现水面无人艇集群对海面进行有效观测与监视,设计了一种新的部署算法,描述了控制集群运动的虚拟力模型,该模型仅使用邻居信息计算个体所受合力,在目标区域吸引力和水面无人艇之间的作用力下向目标区域行驶.仿真结果表明,水面无人... 为了实现水面无人艇集群对海面进行有效观测与监视,设计了一种新的部署算法,描述了控制集群运动的虚拟力模型,该模型仅使用邻居信息计算个体所受合力,在目标区域吸引力和水面无人艇之间的作用力下向目标区域行驶.仿真结果表明,水面无人艇集群最终部署位置在保持网络连通的同时,能够实现完全覆盖目标区域和避免无人艇之间的碰撞.该方法可应用于水面无人艇初始随机部署和初始聚集于母船的场景. 展开更多

关键词 水面无人艇集群 区域覆盖 虚拟力控制算法

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