拦截高超声速目标的多拦截器协同制导控制理论与方法研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

任章

项目受资助机构

北京航空航天大学

项目编号

61333011

立项年度

2013

立项时间

未公开

研究期限

未知 / 未知

项目级别

国家级

受资助金额

300.00万元

学科

信息科学-自动化-系统建模理论与仿真技术

学科代码

F-F03-F0303

基金类别

重点项目

关键词

协同感知 ; 协同控制 ; 高超声速目标 ; 多拦截器 ; 协同制导 ; multiple interceptors ; collaborative sensing ; collaborative guidance ; collaborative control ; hypersonic targets

参与者

吴云洁;刘伟峰;张敬;张平;王相林;蒋宏;江加和;李清东;宋强

参与机构

杭州电子科技大学

项目标书摘要:本项目以国家重大战略需求为牵引,多拦截器拦截近空间高超声速目标为背景,以探索多拦截器编队攻击处于中段飞行的高超声速目标为研究对象,针对近空间高超声速目标的弹道特性与机动特点,以突破末制导段多拦截器协同制导控制的关键基础理论与方法为目标,重点研究近空间高超声速目标运动信息的分布式多层次协同感知理论与方法,拦截高超声速大范围持续机动目标的强一致性四维协同制导理论与方法,多约束条件下多拦截器自主决策与攻击编队协同控制理论与方法等关键基础科学问题,力争在若干个关键科学问题研究上取得突破,为实现对近空间高超声速目标的有效拦截提供理论指导。同时,通过对多拦截器协同制导控制理论与方法的研究,丰富协同制导控制理论的研究,促进控制及相关学科的发展。

Application Abstract: For the traction of major national strategic needs and based on multiple interceptors intercepting near space hypersonic targets,this project is to exploring the method of multi-interceptor to attact hypersonic targets in the middle of the flight.Aimed at ballistic and motor characteristics of near space hypersonic targets and in order to break the key to the basic theory and methods of terminal guidance of multi-interceptor cooperative guidance and control,the project is focused on researching several key basic scientific problems such as:distributed multi-level collaborative sensing theory and methods of near-space hypersonic target motion information,strongly consistent four-dimensional collaborative guidance theory and methods of intercepting hypersonic and big range maneuvering target continuously and autonomous decision-making and attack formations of multi-interceptor collaborative control theory and methods.According to breaking through on these issues,theory guidance is provided with effectively intercepting near space hypersonic targets.By researching on multiple interceptors guidance and control theory,collaborative guidance theory is riched and the control and relevant subjects are developed.

项目受资助省

北京市

项目结题报告(全文)

本项目研究了拦截高超声速目标的多拦截器协同制导控制理论与方法。以多拦截器拦截近空间高超声速目标为背景、拦截处于中段飞行的高超声速目标的多拦截器攻击编队为研究对象,将多拦截器协同制导控制问题分解成一个分布式多层次协同攻击网络结构下的目标运动信息协同感知、协同制导、协同控制三个紧密关联的子问题,分别对相关的机理与方法进行深入研究。首先,提出了针对高超声速目标的分布式协同感知算法,解决了协同感知中的传感器视场受限、观测信息不完备、通信带宽受限、模型非线性较强等难点问题,实现了对这类高速大机动目标运动信息的高精度估计与跟踪。其次,深入研究了高超声速持续大机动目标的弹道特性和机动模式,以及单枚导弹的高精度末制导律设计问题;在此基础上,提出了两类典型的基于动态图模型的协同制导方法,分别是强一致四维协同制导方法和时变编队拦截协同制导方法。再者,研究了飞行器集群编队—合围控制分析与设计中的难点及关键问题,提出了时变编队可行性及编队参考函数的分析方法,解决了分布式编队控制中队形时变的难题;设计了在时变通信时延与拓扑切换条件下的时变编队控制器,给出了实现时变编队的判据、确定了通信时延和拓扑切换对编队可行域和编队参考函数的影响;提出了编队—合围控制模型和方法,突破了分层耦合协同的难题,实现了通信时延、输出反馈等条件下的编队—合围控制。最后,开发了一套多弹协同制导控制仿真平台,搭建了一套基于多无人机和多无人车的协同制导控制实物验证平台,对多拦截器协同制导控制理论与方法的正确性、有效性进行了验证与评估。在本项目的资助下,发表/录用SCI检索论文75篇,EI检索论文119篇,其中2篇全球1%ESI高被引论文,IEEE汇刊论文共18篇(含长文15篇),国际会议最佳论文/提名奖2篇,上述研究成果均标注基金资助号;基于上述成果,项目负责人任章教授获得教育部技术发明一等奖一项,课题组在空军“无人争锋”比赛中获得唯一优胜奖,课题组董希旺副教授获得2018年吴文俊人工智能优秀青年奖。

  • 排序方式:
  • 26
  • /
  • 1.基于GLMB滤波和Gibbs采样的多扩展目标有限混合建模与跟踪算法

    • 关键词:
    • 多扩展目标;有限混合模型;标签随机有限集;GLMB滤波器;Gibbs采样;BIC准则
    • 陈一梅;刘伟峰,;孔明鑫;张桂林
    • 《自动化学报》
    • 2020年
    • 07期
    • 期刊

    本文针对杂波条件下多扩展目标的状态估计,目标个数估计,扩展目标形状估计问题,提出了一种基于标签随机有限集(Labelled random finite sets, L-RFS)框架下多扩展目标跟踪学习算法,该学习算法主要包括两方面:多扩展目标动态建模和多扩展目标的跟踪估计.首先,结合广义标签多伯努利滤波器(Generalized labelled multi-Bernoulli, GLMB)建立了扩展目标的量测有限混合模型(Finite mixture models, FMM),利用Gibbs采样和贝叶斯信息准则(Bayesian information criterion, BIC)准则推导出有限混合模型的参数来对多扩展目标形状进行学习,然后采用等效量测方法来替代扩展目标产生的量测,对扩展目标形状采用椭圆逼近建模,实现扩展目标形状与状态的估计.仿真实验表明本文所给的方法能够有效跟踪多扩展目标,并且在目标个数估计方面优于CBMeMBer算法.此外,与标签多伯努利滤波(LMB)计算比较表明:GLMB和LMB算法滤波估计精度接近,二者精度高于CBMeMBer算法.

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  • 3.Fault-tolerant control for commercial aircraft with actuator faults and constraints

    • 关键词:
    • FLIGHT CONTROL-SYSTEM; CONDITIONING TECHNIQUE; CIVIL AIRCRAFT; DESIGN;ANTIWINDUP; STRATEGY
    • Liu, Yishi;Dong, Xiwang;Ren, Zhang;Cooper, Jonathan
    • 《JOURNAL OF THE FRANKLIN INSTITUTE-ENGINEERING AND APPLIED MATHEMATICS》
    • 2019年
    • 356卷
    • 7期
    • 期刊

    In this paper, a constrained control scheme based on model reference adaptive control is investigated for the longitudinal motion of a commercial aircraft with actuator faults and saturation nonlinearities. Actuator faults and constraints are both important factors adversely affecting the stability and performance of flight control systems. An adaptive adjustment law based on Lyapunov function is utilized to adjust the fault-tolerant control law. Both additive and multiplicative faults are considered in the designed controller to deal with the three types of actuator faults: locked in place, loss of effectiveness, and bias. Moreover, different techniques are implemented in the basic and fault-tolerant controller to anti-windup. Proofs for the stability of the two modified controllers which improve the performance of control system operating in the presence of actuator faults and saturations are proposed. Finally, a numerical example of the anti-windup fault-tolerant controller for a commercial aircraft is demonstrated. The stability and performance improvements can be accrued with the presented fault-tolerant control scheme. (C) 2019 The Franklin Institute. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

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  • 4.基于小波方差的MEMS IMU随机误差模型间接估计方法

    • 关键词:
    • MEMS IMU 随机误差模型 Daubechies离散小波变换 小波方差 间接推断 基金资助:国家自然科学基金重点项目(61333011); DOI:10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.01.014 专辑:工程科技Ⅱ辑 信息科技 专题:电信技术 分类号:TN96 手机阅读
    • 刘菲;任章;李清东
    • 期刊

    MEMS IMU(Mirco Electro Mechanical System Inertial Measurement Unit)微机电惯性测量模块广泛应用于组合导航系统,其中MEMS IMU随机误差模型的准确性对导航精度有着重要的影响。针对Allan方差法在估计随机误差模型方面的不足,研究了间接估计方法。该方法以Daubechies离散小波变换与间接推断原理为基础,根据小波系数的零均值平稳特征,对分解尺度进行确定,将小波方差作为间接估计辅助参数,分析了最优估计准则的渐近一致性,最后使用高斯牛顿法对估计结果进行校正,获得满足渐近一致性的随机误差模型参数估计结果。仿真结果表明,间接估计方法提高了随机误差模型的估计精度,其中一阶马尔科夫过程的相关时间估计精度提高了12.383%,解决了一阶马尔科夫过程模型的准确估计问题。通过试验结果分析,进一步证明了以上结论。

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  • 5.基于改进人工势场法的无人机避让航迹规划

    • 关键词:
    • 无人机 感知与规避 航迹规划 人工势场 基金资助:国家自然科学基金(编号:61333011); 专辑:工程科技Ⅱ辑 专题:航空航天科学与工程 分类号:V279V249 手机阅读
    • 杨萌;王玥
    • 期刊

    随着无人机技术的不断发展,以及无人机应用领域的不断扩展,无人机与有人机在低空空域的融合运行是我国通用航空事业发展的必然趋势,而感知与规避技术是无人机与有人机间避免碰撞的重要保障。在对感知与规避技术进行详细阐述的基础上,对其关键技术问题之一的避让航迹规划进行了研究。首先,针对传统人工势场法的局部震荡问题提出了解决方案;其次,结合感知与规避实际背景,对威胁区模型进行了优化,并对无人机自身性能约束进行了建模;最后,对改进算法进行了仿真验证,阐明了其对无人机动力能源消耗、避让时间和任务执行效率等方面的影响。

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  • 9.高超声速目标拦截末段交战窗口快速生成方法

    • 关键词:
    • 拦截器;高超声速目标;末段交战窗口;拦截条件;机动目标
    • 梁子璇;郭栋;朱圣英;任章
    • 《宇航学报》
    • 2021年
    • 03期
    • 期刊

    针对高超声速目标拦截问题,提出了拦截器的末段交战窗口(TEW)快速生成方法,该窗口表征了所有可行的末段交战阵位。首先,针对高超声速非机动目标建立了解析形式的拦截条件。在此基础上,针对非机动目标和机动目标,依次推导了TEW边界的解析方程。同时,根据拦截器的最小和最大初始航向角,定义并计算了TEW内所有位置的可控裕度。最后,通过对高超声速目标TEW仿真,验证了所提出方法的有效性,并分析了TEW边界和可控裕度的影响因素。与传统数值方法相比,本文解析方法生成的TEW边界一致,但计算耗时大幅减小,具有在线使用的潜力。此外,仿真结果也表明,当目标信息存在测量误差时,所提出的TEW生成方法依然有效。

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  • 10.Robust H∞ guaranteed cost time-varying formation tracking for high-order multiagent systems with time-varying delays

    • 关键词:
    • Cost functions;Robustness (control systems);Time varying control systems;Time delay;Costs;Linear matrix inequalities;Control input constraints;Disturbance attenuation;External disturbances;Linear quadratic cost function;Neighboring information;Robust H;Time varying- delays;Time-varying formations
    • Yu, Jianglong;Dong, Xiwang;Li, Qingdong;Ren, Zhang
    • 《IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems》
    • 2020年
    • 50卷
    • 4期
    • 期刊

    Robust H∞ guaranteed cost time-varying formation tracking problems for high-order multiagent systems with external disturbances and time-varying delays are considered. It is required that the followers' states need to track the leader's state and to actualize the desired time-varying formation simultaneously. First, this paper devises a linear time-varying formation tracking protocol considering the effects of the delays constituted by the neighboring information. Then, an integral linear quadratic cost function constructed by the control input constraint and the formation tracking error constraint is utilized to analyze the suboptimal robust H∞ guaranteed cost time-varying formation tracking performance. Third, sufficient conditions for actualizing the guaranteed cost time-varying formation tracking with H∞ disturbance attenuation performance are derived, and the conditions for the feasible time-varying formation tracking are raised. To obtain the gain matrix of the protocol, only four linear matrix inequalities are required to be solved. Finally, a numerical simulation example reveals the effectiveness of the acquired results, where five agents achieve the robust H∞ guaranteed cost time-varying formation tracking.
    © 2013 IEEE.

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