多飞行器系统协调控制建模与仿真研究

论文摘要

随着航空航天领域的发展和信息化战争的需求,越来越多的任务需要多个飞行器共同完成,但这也带来了飞行器之间如何协调的问题。本文针对该问题,从建模与仿真的角度出发,对多飞行器系统协调控制的仿真方法、建模框架和协调控制算法进行了深入研究。本文的主要内容及取得的成果如下:一、针对多飞行器协同飞行这类问题进行了分析,分析表明该类系统及系统中每个飞行器均是复杂的离散事件—连续变量组合系统。在描述系统主要特征的基础上,提出应采用基于Agent的建模仿真方法。为此,首先给出了离散事件—连续变量组合系统仿真建模元模型及算法,然后建立了智能控制器元模型,并将二者结合,建立了基于Agent的离散事件—连续变量组合系统元模型与算法,最后给出了该类问题的一种单机双进程并发仿真框架。二、戈达德体系结构中,Agent是由感知、通信、建模等构件组成的,该体系结构给出了Agent对环境和刺激进行感知、决策和行为的完整过程。本文中将飞行器看作具有戈达德体系结构的Agent,在分析多飞行器协调控制物理过程的基础上,将协调控制过程划分为个体层、控制层和系统行为层,各层分别对应Agent的相关构件。由此搭建了基于构件思想的多飞行器协调控制建模框架,并设计实现了建模框架原型系统。利用统一建模语言对建模框架原型系统的实现过程进行了描述,原型系统各模型按模型重用的思想,设计了统一输入输出接口。三、研究了多导弹协同制导建模与仿真问题,以多导弹同时达到目标为研究对象,按照多飞行器协调控制建模框架的设计思想,建立了多导弹协同制导相关模型,提出了基于比例导引和基于一致性算法的协同制导律,并对提出的制导律进行了理论证明。利用建模框架完成了多导弹同时到达目标问题的仿真,并对不同制导律下的仿真结果进行了分析。四、研究了大规模集群航天器严格构型保持的建模与仿真问题。首先提出了虚拟弹簧阻尼网络控制方法,针对具有链式拓扑结构的一维两质点、一维多质点和多维多质点问题,从理论上证明了该控制方法的有效性和稳定条件。利用虚拟弹簧阻尼网络控制方法实现集群航天器严格构形保持,建立了集群航天器的相对运动模型、考虑J2摄动的动力学模型和虚拟弹簧阻尼网络控制模型,利用多飞行器协调控制建模框架完成了集群航天器严格构形保持的仿真。仿真结果表明,虚拟弹簧阻尼网络控制方法是有效的,大规模集群航天器可以实现严格的相对状态保持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 多飞行器系统
• 1.1.2 基于Agent的复杂适应系统建模
• 1.1.3 本文的研究意义
• 1.2 相关研究综述
• 1.2.1 多飞行器系统研究计划
• 1.2.2 复杂系统建模理论与方法研究
• 1.2.3 基于Agent的建模平台研究
• 1.2.4 多飞行器系统仿真平台研究现状
• 1.2.5 多飞行器系统协调控制算法研究
• 1.3 论文主要内容及创新点
• 1.3.1 主要内容
• 1.3.2 主要创新点
• 第二章 基于Agent的多飞行器系统协调控制仿真方法研究
• 2.1 多飞行器系统协同飞行特征分析
• 2.2 CVDS系统仿真元模型与仿真算法
• 2.2.1 CVDS系统仿真元模型
• 2.2.2 CVDS系统仿真算法
• 2.3 DEDS系统仿真元模型与仿真算法
• 2.3.1 DEDS系统仿真元模型
• 2.3.2 DEDS系统仿真算法
• 2.4 CDCS系统仿真元模型与仿真算法
• 2.4.1 CDCS系统仿真元模型
• 2.4.2 CDCS系统仿真算法
• 2.5 智能控制与智能控制器元模型
• 2.5.1 智能控制元模型
• 2.5.2 智能控制器
• 2.5.3 智能控制器元模型
• 2.6 基于Agent的CDCS仿真元模型与仿真算法
• 2.6.1 基于Agent的CDCS仿真元模型
• 2.6.2 基于Agent的CDCS仿真算法
• 2.7 基于Agent的CDCS多智能体仿真框架
• 2.8 小结
• 第三章 多飞行器系统协调控制建模框架研究
• 3.1 多飞行器Agent模型的戈达德体系结构
• 3.1.1 戈达德模型
• 3.1.2 构件简介
• 3.2 多飞行器系统建模框架设计
• 3.2.1 建模框架设计思路
• 3.2.2 建模框架个体层部分
• 3.2.3 建模框架协调控制层
• 3.2.4 建模框架系统行为层
• 3.3 多飞行器系统建模框架原型系统
• 3.3.1 可重用模型
• 3.3.2 原型系统模型库设计
• 3.3.3 原型系统Agent模型设计
• 3.3.4 原型系统控制层设计
• 3.3.5 原型系统行为层设计
• 3.3.6 原型系统应用层设计
• 3.4 多飞行器系统建模框架仿真实例
• 3.4.1 实例场景描述
• 3.4.2 仿真实例分析
• 3.4.3 仿真结果
• 3.5 小结
• 第四章 多导弹协同制导建模与仿真研究
• 4.1 多导弹协同制导建模与仿真问题分析
• 4.2 网络拓扑结构模型
• 4.3 一致性算法模型
• 4.3.1 一致性问题
• 4.3.2 一致性算法
• 4.4 导弹比例导引模型
• 4.4.1 运动目标导引模型
• 4.4.2 静止目标导引模型
• 4.5 基于比例导引的多导弹协同制导建模与仿真
• 4.5.1 协同制导律建模
• 4.5.2 协同制导律一致性分析
• 4.5.3 多导弹协同制导仿真
• 4.6 基于一致性算法的多导弹协同制导建模与仿真
• 4.6.1 具有自动驾驶仪的导弹动力学模型
• 4.6.2 协同制导律建模
• 4.6.3 多导弹协同制导仿真
• 4.7 小结
• 第五章 集群航天器构形保持建模与仿真研究
• 5.1 航天器轨道动力学模型
• 5.2 航天器编队相对运动模型
• 5.3 虚拟弹簧阻尼网络控制模型
• 5.3.1 虚拟弹簧阻尼网络系统控制律
• 5.3.2 一维系统动力学模型与稳定性分析
• 5.3.3 多维系统动力学模型与稳定性分析
• 5.4 集群航天器构形保持建模
• 5.4.1 虚拟弹簧阻尼网络在集群航天器中的应用
• 5.4.2 集群航天器构型保持模型
• 5.5 集群航天器构型保持仿真
• 5.5.1 仿真实例
• 5.5.2 基于建模框架的仿真实例分析
• 5.5.3 仿真结果及分析
• 5.6 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果