m基于拉道radau伪谱算法的非线性航迹规划matlab仿真

1.算法概述

伪谱法,又称为正交配置法,主要利用Lagrange 插值多项式近似离散最优控制问题中的状态变量和控制变量,将连续型最优控制问题转化成离散形式的非线性规划(NLP) 问题,然后利用相应的NLP 算法求解。根据配置点的不同,伪谱法主要分为Legendre伪谱法、Gauss伪谱法 和Radau伪谱法 3 种。


在本课题中,飞行器的运动方程取为:




2.部分程序

............................................................................

%约束(3个)

YY1(k) = 0.5*p*a4(k)^2 - qmax;%动压

YY2(k) = sqrt(L^2 + D^2)/G - nmax;%过载

YY3(k) = 3.0078*sqrt(p)*a4(k)^3.08 - Qmax;%驻点热流

end


%根据映射结果计算L值

for i = 1:K

for kk=1:Ns

if kk~=i

LL(i)=(t-Tao(kk))/(Tao(i)-Tao(kk));

end

end

end

for i = 1:K

Ls(i)=int(LL(i),t,-1,1);

end

Ls = double(Ls);



%目标方程(1个)

for i = 1:K

Tmp7(i) = C/sqrt(R)*p^0.5*a4(k)^3.08/(Ls(i)^2);

end    

J = -(tf-t0)/(K*(K+1))*sum(Tmp7);




%%

%六状态

r_line     = zeros(1,K);

Theta_line = zeros(1,K);

Fai_line   = zeros(1,K);

V_line     = zeros(1,K);

Gamma_line = zeros(1,K);

Si_line    = zeros(1,K);

k_         = 0;

CNT        = 0;

for k = 1:K

CNT = CNT + 1;

k

if  k == 1

Dkl(k,:) = func_D(t0,tf,ts,K,Ns,k);

%离散状态变量定义为ak

a1(k)    = r0;

a2(k)    = Theta0;

a3(k)    = Fai0;

a4(k)    = V0;

a5(k)    = Gamma0;

a6(k)    = Si0;

%离散控制变量定义为bk

b1(k)    = delta0;

b2(k)    = alpha0;   

x        = [a1(k) a2(k) a3(k) a4(k) a5(k) a6(k) b1(k) b2(k)];


%将每个网络的最优解方程到过程变量数据中

%六状态

r_line(k)                = x(1);

Theta_line(k)            = x(2);

Fai_line(k)              = x(3);

V_line(k)                = x(4);

Gamma_line(k)            = x(5);

Si_line(k)               = x(6);          


else    

%注意,采用radau离散化之后的非线性方程组,没法直接使用fmincon进行求解,这里,我们自己编写了一个优化函数进行计算最优值

%对控制状态进行循环(fmincon的原理,也是基于如下过程进行的)


nn    = 0;

mm    = 0;

alphass = [ 10:Steps:20]/180*pi;

deltass = [-90:3*Steps:90]/180*pi;

for alphas = alphass

mm = 0;

nn = nn+1;

for deltas = deltass

mm=mm+1;


for NN  = 1:N

k_= k-1;

Dkl(k_,:) = func_D(t0,tf,ts,K,Ns,k_);

g = u/a1(k_)^2;

p = P*exp(-0.00015*(a1(k_)-Rs));

%部分由状态变量决定的参数

D = 0.5*p*a4(k_)^2*Sref*(bb0 + bb1*alphas + bb2*alphas^2);

L = 0.5*p*a4(k_)^2*Sref*(aa0 + aa1*alphas + aa2*alphas^2);

G = m;


%状态方程(6个)

%公式1

a1(k_+1) =  a1(k_)+dtf0*((tf-t0)/2 * a4(k_)*sin(a5(k_)) + a4(k_)*g*sin(1e3*a5(k_)));

%公式2

a2(k_+1) =  a2(k_)+dtf1*((tf-t0)/2 * a4(k_)*cos(a5(k_))*cos(a6(k_)) / (a1(k_)*cos(a3(k_))));

%公式3

a3(k_+1) =  a3(k_)+dtf2*((tf-t0)/2 * a4(k_)*cos(a5(k_))*sin(a6(k_)) / (a1(k_)));

%公式4

a4(k_+1) =  a4(k_)+dtf3*((tf-t0)/2 * (D/m + g*sin(a5(k_))));

%公式5

a5(k_+1) =  a5(k_)+dtf4*((tf-t0)/2 * (L/m * cos(deltas) -g*cos(a5(k_)) + a4(k_)^2/a1(k_)*cos(a5(k_))))/a4(k_);

%公式6

a6(k_+1) =  a6(k_)+dtf5*((tf-t0)/2 * (L/m * sin(deltas)/cos(a5(k_)) - a4(k_)^2/a1(k_)*cos(a5(k_))*cos(a6(k_))*tan(a3(k_))))/a4(k_);    

end


D = 0.5*p*a4(k_+1)^2*Sref*(bb0 + bb1*alphas + bb2*alphas^2);

L = 0.5*p*a4(k_+1)^2*Sref*(aa0 + aa1*alphas + aa2*alphas^2);


if (0.5*p*a4(k_+1)^2 <= qmax) & (sqrt(L^2 + D^2)/G <= nmax) & (3.0078*sqrt(p)*a4(k_+1)^3.08 <= Qmax) &...

(0.5*p*a4(k_+1)^2 > 0) & (sqrt(L^2 + D^2)/G  > 0) & (3.0078*sqrt(p)*a4(k_+1)^3.08  > 0)&...

a4(k_+1) >= 1.508 & a4(k_+1) <= V0 & a1(k_+1) <= Rs+80 & a1(k_+1) >= Rs+20;


..............................................

02-007m


3.算法部分仿真结果图


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