孫一博, 孟秀云, 邱文杰
(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100081; 2.北京航天自動控制研究所,北京 100854)
本文研究的滑翔飛行器是一種由飛機裝載、可在多種高度和速度條件下投放的、通過大展弦比彈翼實現(xiàn)滑翔增程的空對地精確制導(dǎo)飛行器,具有價格低廉、與載機相容性好等優(yōu)點. 在方案設(shè)計階段進行滑翔飛行器的最大射程分析、軌跡特性評估和總體技術(shù)指標論證時,常通過設(shè)計最優(yōu)彈道的方式進行. 最優(yōu)彈道的設(shè)計問題可視為軌跡優(yōu)化問題,屬于最優(yōu)控制問題的范疇. 近年來,配點法在解決軌跡優(yōu)化問題方面顯出較大優(yōu)勢,在航天飛機的再入軌跡優(yōu)化[1]、民用飛機的最小時間爬升[2]和滑翔飛行器的增程問題[3-4]等領(lǐng)域獲得廣泛使用.
出于對軌跡優(yōu)化問題復(fù)雜度和求解效率等因素的考慮,現(xiàn)有文獻大多采用簡化的氣動力數(shù)據(jù)進行軌跡優(yōu)化,較少涉及表格形式氣動數(shù)據(jù)的使用. 采用這種方式得到的優(yōu)化結(jié)果,僅適用于初步和粗略的飛行性能分析. 高精度的氣動測力數(shù)據(jù)通常以表格形式給出. 采用表格數(shù)據(jù)進行軌跡優(yōu)化,在保證插值/擬合精度的同時,還需避免數(shù)據(jù)插值/擬合中不連續(xù)性問題. 由于求解最優(yōu)控制問題的數(shù)值方法大多假設(shè)目標和約束函數(shù)連續(xù)可微,當最優(yōu)控制問題中出現(xiàn)非連續(xù)性時,這些數(shù)值方法不再適用[2]. 彈道仿真中常用的線性插值方法[5]會在優(yōu)化問題引入一階不連續(xù),嚴重影響求解效率. 對此,BETTS[2]建議采用具有二階連續(xù)性的插值或擬合方法. 常用的三次樣條插值方法能夠保證二階連續(xù)性,但無法較好地反映數(shù)據(jù)變化的趨勢性信息. 經(jīng)過三次樣條插值,氣動數(shù)據(jù)會出現(xiàn)原表格數(shù)據(jù)沒有的局部“波動”(“wiggles”)現(xiàn)象[2]. “波動”的引入,一方面會在一階偏導(dǎo)(雅可比矩陣)和二階偏導(dǎo)(海森矩陣)中引入噪聲,造成收斂困難;一方面會引起所描述優(yōu)化問題與原問題的偏離[2]. REINSCH[6]給出的平滑樣條擬合方法雖然能夠避免“波動”的引入,但無法保證表格中氣動數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的單調(diào)性,造成所描述優(yōu)化問題與原問題的偏離.
為了克服上述方法存在的問題,BETTS[2]提出一種基于最小曲率樣條的平滑保形氣動擬合方法,將數(shù)據(jù)的擬合精度和形狀信息作為約束,能夠在保證二階連續(xù)性的同時,避免擬合數(shù)據(jù)中的“波動”現(xiàn)象,并保持表格數(shù)據(jù)所反映的單調(diào)性信息. 然而,對于擬合精度和形狀信息兩約束的處理,BETTS[2]并未給出具體方式. 此外,在該擬合方法中,樣條的節(jié)點位置固定,曲率信息僅在節(jié)點處進行評價. 這限制了該方法對擬合樣條曲率的控制能力.
在借鑒BETTS[2]思路的基礎(chǔ)上,借助張量積技術(shù)[7]和SCHüTZE等[8]提出的具有自由節(jié)點的一維平滑保形樣條擬合方法,本文提出一種二維平滑保形擬合方法,用于滑翔飛行器軌跡優(yōu)化中表格形式氣動數(shù)據(jù)的擬合,具有約束施加方式明確、能夠約束非節(jié)點處樣條曲率的特點.
考慮滑翔飛行器的增程問題,在給定投放條件下使滑翔飛行器獲得最大的飛行距離,以X(tf)表示彈道終端的射程,則目標函數(shù)為
J=min(-X(tf))
(1)
無動力時,滑翔飛行器在水平面內(nèi)的運動一般側(cè)重于消除初始扇面角、陣風(fēng)等因素引起的側(cè)向偏差. 因此,對于滑翔飛行器的增程問題,可忽略水平面內(nèi)運動,僅考慮鉛錘平面內(nèi)的最優(yōu)控制問題. 此時,運動模型可描述為
(2)
式中:升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD為攻角和馬赫數(shù)的函數(shù),通過表格形式給出. 其他變量定義見表1.
表1 術(shù)語表Tab.1 Nomenclature
對于滑翔飛行器而言,初始條件是投放時刻狀態(tài)變量的取值,即
(3)
終端條件是滑翔飛行器在彈道終端需滿足的條件. 對于射程優(yōu)化問題,考慮落角和末速約束,其終端邊界條件為
(4)
滑翔飛行器飛行過程中,狀態(tài)量的變化需滿足一定的約束條件. 由于滑翔飛行器本身的結(jié)構(gòu)強度等限制,其法向過載必須限制在一定范圍內(nèi). 同時,作為控制變量的攻角需保持在彈體動力學(xué)隨攻角變化的線性區(qū)內(nèi)(±10°~15°). 此外,考慮飛行器的姿態(tài)動力學(xué)約束,攻角的變化率也應(yīng)限制在一定范圍. 因此,滑翔飛行器最優(yōu)控制問題的約束條件為
(5)
作為一類典型的最優(yōu)控制問題,軌跡優(yōu)化常采用配點法進行求解. 針對滑翔飛行器給定投放條件下的軌跡優(yōu)化需求,本文采用自適應(yīng)Legendre-Gauss-Radau 配點法將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)換為非線性規(guī)劃問題,選用成熟的非線性規(guī)劃求解器SNOPT進行求解.
本文考慮波爾扎形式的最優(yōu)控制問題. Legendre-Gauss-Radau(LGR)配點法將最優(yōu)控制問題的時間區(qū)間t∈[t0,tf]轉(zhuǎn)換到τ∈[-1,+1]上. 接著,將時間區(qū)間τ∈[-1,+1]劃分成一個包含K個區(qū)間Sk=[Tk-1,Tk],k=1,2,…,K的網(wǎng)格,式中,-1=T0 最小化目標函數(shù)并滿足近似動力學(xué)約束、近似路徑不等式約束、近似邊界條件以及確保網(wǎng)格點T1,T2…,TK-1上狀態(tài)變量連續(xù)性的條件 i=1,2,…,Nk (7) i=1,2,…,Nk (8) (9) (10) 當式(6)~(10)描述的非線性規(guī)劃問題取得最優(yōu)值時,將滿足Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件. 根據(jù)協(xié)態(tài)映射原理,即KKT 條件與最優(yōu)控制問題的離散化一階必要條件之間有明確、定量的一一映射關(guān)系,LGR配點法結(jié)果的最優(yōu)性具有一定的理論依據(jù). 自適應(yīng)配點法對分段數(shù)量和每段離散點數(shù)量同時更新,可進一步利用非線性規(guī)劃問題的稀疏性,在保證計算精度的情況下,加快收斂速度[10]. 采用LGR配點法離散最優(yōu)控制問題,區(qū)間劃分和節(jié)點(配點)數(shù)量選取直接關(guān)系到最優(yōu)控制問題的求解精度和效率,是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點. 在熱啟動和序列求精思想的指導(dǎo)下[2],多種自適應(yīng)的網(wǎng)格細分策略被先后提出. 與具體最優(yōu)控制問題表現(xiàn)出的光滑和非線性階次有關(guān),網(wǎng)格細分策略并無統(tǒng)一的選取標準. 結(jié)合滑翔飛行器的軌跡優(yōu)化問題的特點,經(jīng)過反復(fù)的比較和嘗試,本文采用PATTERSON等[9]提出的ph自適應(yīng)方法進行網(wǎng)格細分. 對LGR配點法收斂性的研究表明[11],任一區(qū)間內(nèi)節(jié)點上的近似誤差與該區(qū)間內(nèi)的節(jié)點數(shù)量Nk有關(guān),具有指數(shù)收斂速率 (11) (12) 式中Nmin為區(qū)間的最小節(jié)點數(shù).Nmax和Nmin需根據(jù)具體的最優(yōu)控制問題和計算機的性能確定. 針對滑翔飛行器的軌跡優(yōu)化模型中表格形式氣動數(shù)據(jù)的平滑(二階連續(xù)且二階導(dǎo)盡可能小)和保形(保持數(shù)據(jù)原有的單調(diào)性)需求,本文提出一種表格數(shù)據(jù)的平滑保形擬合方法,能夠在一定的擬合精度要求下,對二維表格形式數(shù)據(jù)進行平滑、保形的擬合,以保證軌跡優(yōu)化的精度和效率. 其基本原理為:在一維平滑保形樣條擬合方法基礎(chǔ)上,采用張量積方法進行維度擴展,得到二維平滑保形擬合方法. 令{xi,yi}(i=1,2,…,m)表示一組由m個樣本組成的數(shù)據(jù)序列,式中xi為樣本點的坐標,在區(qū)間[a,b]?R取值,yi為樣本在未知光滑函數(shù)g∈Cq[a,b]上的響應(yīng)值,m個樣本點按其坐標從小到大的順序排列. 一維平滑保形樣條擬合考慮用定義在k≥1階一維多項式樣條空間Sk,t中的函數(shù)s擬合這組樣本點序列,其中,樣條空間Sk,t具有節(jié)點序列t={tj} t1=t2=…=tk=a tn (13) 且m≥n. 通過選擇樣條函數(shù)s的參數(shù),使得式(14)描述的平滑泛函取得最小值 (14) 式中:平滑參數(shù)μ>0;r∈{0,1,…,q}. 與此同時,樣條函數(shù)s應(yīng)具備具有保形性,即在區(qū)間x∈[a,b]上有 (15) 式中p∈{0,1,…,q}. ① 目標函數(shù)的B樣條基函數(shù)表示. 為通過選取權(quán)重系數(shù)求解式(14)~(15)描述的一維平滑保形樣條擬合問題,首先將式(14)所示的平滑泛函用B-樣條基函數(shù)及其權(quán)重系數(shù)表示. 首先,定義在k≥1階一維多項式樣條空間Sk,t中的函數(shù)s可表示為 (16) 式中:α:=[α1α2…αn]T∈Rn;β(x,t):=[B1,k,t(x)…Bn,k,t(x)]T∈Rn;αj為權(quán)重系數(shù).B-樣條基函數(shù)Bj,k,t可通過式(17)和(18)進行回歸定義 (17) Bj,k,t(t):=ωj,k(t)Bj,k-1,t(t)+ [1-ωj+1,k(t)]Bj+1,k-1,t(t)k>1 (18) 式中ωj,k(t)通過式(19)進行計算 (19) 注意在Bj,k,t中,t表示其定義在節(jié)點序列t={tj}上. 進一步定義觀測矩陣(observation matrix)B(t) B(t):=(Bj,k,t(xi))i=1,2,…,m;j=1,2,…,n∈Rm,n (20) 和樣本序列的響應(yīng)向量 y:=[y1y2…ym]T∈Rm 則式(14)中通過最小二乘定義的近似誤差項(第1項)可表示為 (1-μ)‖y-B(t)α‖2 (21) 式中‖·‖表示向量的歐幾里得范數(shù). (22) 式中r∈{0,1,…,q},取定值. 假設(shè)樣條函數(shù)s在節(jié)點tj處q次連續(xù)可微,即節(jié)點序列t={tj}滿足 tj (23) 式中:q=k-1-#tj,#tj表示節(jié)點在tj處的重數(shù). 則樣條函數(shù)的r階導(dǎo)數(shù)可表示為[7] (24) 式中: (25) 權(quán)重系數(shù)α(r)通過公式α(r)=Drα由向量α計算得到.Dr通過下式遞歸得到 (26) (27) Rn-ν,n-ν+1 (28) 式中ν=1,2,…,r. 由于式(14)中平滑項需要計算的B樣條基函數(shù)乘積的積分較為復(fù)雜,此處采用更為簡單近似形式[12-13] (29) 將式(24)帶入(29)得 (30) (31) 綜合式(21)和(30),式(14)可通過B-樣條基函數(shù)及其權(quán)重系數(shù)表示為 f(α,t):=φ+ρ= (1-μ)‖y-B(t)α‖2+μ‖Sr(t)α‖2= (32) ② 保形約束的B樣條基函數(shù)表示. 通過規(guī)定樣條函數(shù)s在子區(qū)間[ti,ti+1)(i=k,k+1,…,n)的導(dǎo)數(shù)的上下界方式施加式(15)的保形約束. 根據(jù)式(24),在子區(qū)間x∈[ti,ti+1)上,導(dǎo)數(shù)s(p)(x)可表示為 (33) 式中Ki:={i-k+r+1,…,i}. 考慮如下形式的形狀約束 ?x∈[ti,ti+1),i=k,k+1,…,n (34) 由于B樣條的基函數(shù)都不小于0且其和為1,因此有 (35) 因此,若條件 (36) 滿足,則式(34)一定滿足. 將式(36)改寫為 (37) Wj:={max(j,k),…,min(j+k-p-1,n)} 根據(jù)向量α和α(p)的關(guān)系式α(p)=Dpα,式(37)可進一步表述為 L≤Dp(t)α≤U (38) 式中: (39) ③ 自由節(jié)點的約束. 進一步考慮對節(jié)點序列t={tj} t1=t2=…=tk=a tn+1=tn+2=…=tn+k 中部分自由節(jié)點tk+1,…,tn的約束,以避免優(yōu)化過程中自由節(jié)點的聚集. 這可以通過式(40)限制相鄰自由節(jié)點的相對距離的上下限完成 tj-1+ε(tj+1-tj-1)≤tj≤tj+1-ε(tj+1-tj-1) (40) 式中:j=k+2,…,n-1;ε>0為相鄰節(jié)點的相對分離參數(shù). 式(40)可進一步整理為式(41)的形式 Ct-h≥0 (41) 式中:矩陣C和向量h由節(jié)點序列t={tj}和相鄰節(jié)點的相對分離參數(shù)ε確定. ④ 一維平滑保形樣條的優(yōu)化問題. 綜合式(32)、(38)和(41),一維平滑保形樣條的優(yōu)化問題可表述如下. 最小化目標函數(shù) (42) 同時滿足 (43) 式中:節(jié)點序列t={tj}滿足tj 由3.1節(jié)描述的單變量平滑保形樣條向雙變量平滑保形樣條推廣,最簡單的方式是張量積,單變量平滑保形樣條的性質(zhì)和算法都可以被張量積樣條直接繼承[14]. 通過張量積擴展樣條函數(shù)的核心觀點是,如果函數(shù)f是關(guān)于自變量x的函數(shù),g是關(guān)于自變量y的函數(shù),那么他們的張量積p(x,y):=f(x)g(y)就是自變量x和y的函數(shù). 下面給出二維張量積樣條的定義: 對于具有節(jié)點序列s={si},i=1,2,…,m+h的樣條空間Sh,s和具有節(jié)點序列t={tj},j=1,2,…,n+k的樣條空間Sk,t,式(44)定義了一個二維張量積樣條函數(shù) (44) 式中:Bi,h,s(x)和Bj,k,t(y)分別為樣條空間Sh,s和Sk,t的基函數(shù);[aij](i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)矩陣. 根據(jù)張量積樣條的定義和性質(zhì)[7],給定一組二維樣本點的響應(yīng)值矩陣[zi,j](i=0,1,…,m;j=0,1,…,n),可通過式(45)將張量積樣條的擬合問題轉(zhuǎn)換為一維樣條的擬合問題 (45) 下面研究本文提出的二維平滑保形擬合方法的擬合效果. 作為對比,同時采用Matlab中的interp2、spline和spaps函數(shù),給出升力系數(shù)的線性插值、三次樣條插值和平滑樣條擬合. 表 2給出了滑翔飛行器一組典型的升力系數(shù)數(shù)據(jù),表中,α表示攻角,Ma表示馬赫數(shù). 表 2 滑翔飛行器的典型升力系數(shù)數(shù)據(jù)Tab.2 Typical lift coefficient data of glide vehicle 圖1(a)為采用二維平滑保形擬合得到的滑翔飛行器升力系數(shù)曲面. 升力系數(shù)曲面平滑,無“波動”現(xiàn)象. 圖1(b)為從升力系數(shù)曲面截取的α=0°時的升力系數(shù)曲線,擬合得到的升力系數(shù)曲線平滑,能夠保持數(shù)據(jù)點本身的單調(diào)特性. 圖1(c)為α=0°時擬合的升力系數(shù)曲線對馬赫數(shù)的一階偏導(dǎo). 樣本點間,一階偏導(dǎo)連續(xù),且正負號不發(fā)生變化,進一步說明擬合得到的升力系數(shù)曲線是平滑的,具有保形性. 圖1 二維平滑保形擬合效果Fig.1 Results of the two-dimensional smoothing and shape-preserving fitting 圖2為采用interp2函數(shù)通過線性插值得到的 圖2 采用線性插值得到的升力系數(shù)曲面Fig.2 Lift coefficient surface obtained with linear interpolation 滑翔飛行器升力系數(shù)曲面. 圖2中明顯的折痕和邊緣處的折點顯示出線性插值的一階不連續(xù)特性. 圖3為采用spline函數(shù)進行三次樣條插值得到的滑翔飛行器升力系數(shù)插值效果. 圖3(a)方框處可見明顯的“波紋”. 圖3(b)為從升力系數(shù)曲面截取的α=0°時的升力系數(shù)曲線. 在Ma∈[0.7,0.8]和[0.9,1.0]的區(qū)間范圍內(nèi),升力系數(shù)曲線無法保持樣本點所呈現(xiàn)的單調(diào)性,出現(xiàn)較大波動. 圖4顯示了采用spaps函數(shù)進行平滑樣條擬合得到的滑翔飛行器升力系數(shù)擬合效果. 圖4(b)可見,在Ma∈[0.6,0.8]和[0.9,1.0]的區(qū)間范圍內(nèi),升力系數(shù)擬合曲線無法保持樣本點所呈現(xiàn)的單調(diào)性,出現(xiàn)較大波動. 圖3 三次樣條插值效果Fig.3 Results of cubic spline interpolation 圖4 平滑樣條擬合效果Fig.4 Result of smooth spline fitting 通過高(11.5 km附近)、中(8.0 km附近)、低(4.0 km附近)空不同投放馬赫數(shù)(0.6~0.9)的彈道仿真驗證基于表格形氣動數(shù)據(jù)的滑翔飛行器軌跡優(yōu)化結(jié)果的精度. 終端邊界條件和約束條件為 圖5中虛線給出了滑翔飛行器在高空(11.5 km附近)不同馬赫數(shù)(0.6~0.9)下投放的軌跡優(yōu)化結(jié)果. 高空條件下,由于大氣密度較小,滑翔飛行器在可用攻角范圍內(nèi)產(chǎn)生的升力較小,不足以克服重力進行爬升或平飛,最優(yōu)彈道整體呈下滑形式. 圖5中實線給出開環(huán)彈道仿真的結(jié)果. 實線和虛線整體的吻合度很高,這說明本文提出的基于軌跡優(yōu)化的最優(yōu)彈道設(shè)計方法具有良好的精度. 在彈道變化劇烈的地方,實線和虛線出現(xiàn)一定偏差,主要由于軌跡優(yōu)化中未考慮彈體動態(tài)特性造成的. 圖5 高空最優(yōu)彈道和開環(huán)彈道仿真驗證結(jié)果Fig.5 Result comparison of optimal trajectory and open-loop trajectory simulation of glide vehicle launched at high altitude 圖6中虛線給出了滑翔飛行器在中空(8.0 km附近)不同馬赫數(shù)(0.6~0.9)下投放的最優(yōu)彈道設(shè)計結(jié)果. 中空條件下投放馬赫數(shù)對最優(yōu)彈道的形式影響較大. 當投放馬赫數(shù)較大時(0.75以上),最優(yōu)彈道呈現(xiàn)先爬升再下滑的形式. 當投放馬赫數(shù)較小時(0.75以下),最優(yōu)彈道呈現(xiàn)先俯沖再下滑的形式. 圖6中實線給出開環(huán)彈道仿真的結(jié)果. 實線和虛線整體的吻合度很高,這說明本文提出的基于軌跡優(yōu)化的最優(yōu)彈道設(shè)計方法具有良好的精度. 在彈道變化劇烈的地方,實線和虛線出現(xiàn)一定偏差,主要由于軌跡優(yōu)化中未考慮彈體動態(tài)特性造成的. 圖7中虛線給出了滑翔飛行器在低空(4.0 km附近)不同馬赫數(shù)(0.6~0.9)下投放的最優(yōu)彈道設(shè)計結(jié)果. 低空條件下,最優(yōu)彈道普遍具有先爬升再下滑的形式. 隨著投放馬赫數(shù)的提高,這種爬升趨勢越明顯. 投放馬赫數(shù)為0.9左右時,最優(yōu)彈道在爬升階段甚至出現(xiàn)接近20°的彈道傾角. 這是由于低空空氣密度較大,滑翔飛行器較容易通過不大的攻角獲得較大升力. 此時,如何減小因空氣阻力引起的能量損失是提升射程關(guān)鍵. 圖7中實線給出開環(huán)彈道仿真的結(jié)果. 實線和虛線整體的吻合度很高,這說明本文提出的基于軌跡優(yōu)化的最優(yōu)彈道設(shè)計方法具有不錯的精度. 在彈道變化劇烈的地方,實線和虛線出現(xiàn)一定偏差. 這主要是軌跡優(yōu)化中未考慮彈體動態(tài)特性造成的. 以投放時刻為例,如圖7(d)所示,由于未考慮彈體動態(tài)特性,最優(yōu)彈道直接要求滑翔飛行器以3°~7°攻角飛行. 在彈道仿真中,最優(yōu)彈道攻角的實現(xiàn)需要經(jīng)歷一定的動態(tài)過程,因此造成最優(yōu)彈道和仿真結(jié)果的偏差. 圖7 低空最優(yōu)彈道和開環(huán)彈道仿真驗證結(jié)果Fig.7 Result comparison of optimal trajectory and open-loop trajectory simulation of glide vehicle launched at low altitude 本文以滑翔飛行器為研究對象,針對不同投放條件下的最遠射程彈道設(shè)計問題,使用表格形式的氣動數(shù)據(jù),采用自適應(yīng)Legendre-Gauss-Radau 配點法進行軌跡優(yōu)化. 主要工作和研究結(jié)論如下: ① 針對軌跡優(yōu)化模型中表格形式氣動數(shù)據(jù)的擬合問題,提出了二維平滑保形擬合方法,首先對數(shù)據(jù)進行一維平滑保形擬合,接著,采用張量積方法進行擬合維度擴展. 對典型表格形式氣動數(shù)據(jù)的擬合效果分析表明,能夠在給定的擬合精度約束下,實現(xiàn)氣動數(shù)據(jù)的平滑保形擬合. ② 針對滑翔飛行器最遠射程彈道設(shè)計問題,采用提出的二維平滑保形擬合方法表格形式的氣動數(shù)據(jù),建立滑翔飛行器的軌跡優(yōu)化模型. 接著,采用自適應(yīng)Legendre-Gauss-Radau 配點法,通過軌跡優(yōu)化進行最優(yōu)彈道設(shè)計. 以優(yōu)化得到的最優(yōu)彈道俯仰角作為開環(huán)控制指令進行彈道仿真,仿真結(jié)果與最優(yōu)彈道的整體吻合度很高.2.2 ph自適應(yīng)網(wǎng)格細化方法
3 表格形氣動數(shù)據(jù)的平滑保形擬合
3.1 一維平滑保形樣條擬合方法
3.2 基于張量積的維度擴展方法
4 擬合結(jié)果和仿真驗證
4.1 表格形氣動數(shù)據(jù)擬合效果分析
4.2 仿真驗證結(jié)果
5 結(jié) 論