Real-time Trajectory Optimization of Impaired Aircraft based on Steady State Manoeuvres

📄 arXiv: 2408.02316v1 📥 PDF

作者: Ramin Norouzi, Amirreza Kosari, Mark H. Lowenberg

分类: eess.SY

发布日期: 2024-08-05

备注: 56 pages, 21 figures, 2 tables

💡 一句话要点

提出基于稳态机动的受损飞机实时轨迹优化方法，应对失控风险。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 轨迹优化 受损飞机 实时规划 微分平坦 伪谱法

📋 核心要点

  1. 飞机故障导致机动性下降，现有飞行管理系统难以应对故障后的轨迹规划，存在失控风险。
  2. 该方法结合微分平坦理论、伪谱法和非线性规划，从受损飞机的机动飞行包线中选择配平点，生成避开地形的最优轨迹。
  3. 实验表明，该方法能在实时性要求下，生成接近最优的轨迹，保留了高达80%的最优性。

📝 摘要（中文）

飞机故障会改变其动力学特性，降低机动性。这种机动飞行包线的变化受飞机复杂非线性动力学控制，飞行员和现有飞行管理系统难以预测。为防止飞行中失控，故障后的轨迹必须是最优的，需要实时规划，避开地形，并符合受损飞机降低的机动性和动态约束。本文提出了一种基于微分平坦理论、伪谱法、非线性规划和逆动力学的受损飞机实时轨迹优化方法。该方法利用高保真非线性六自由度模型，通过从受损飞机的机动飞行包线中选择一系列配平点，以符合飞机改变后的动力学特性，并基于所选的优化标准，确保生成的三维轨迹能够避开地形。然后，在不到一秒的时间内获得每次机动所需的控制输入。该方法应用于NASA通用运输模型，模拟在复杂山区地形附近方向舵失效的情况。分别以非实时和实时方式生成最优的整体轨迹和由多个最优轨迹组成的近似最优分段路径，并进行比较。结果表明，近似最优实时轨迹保留了高达80%的最优性。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决受损飞机在飞行过程中，由于飞机动力学特性改变，导致飞行员和现有飞行管理系统难以规划出安全、实时的最优轨迹，从而可能导致失控的问题。现有方法难以预测受损飞机的机动飞行包线，无法保证轨迹的安全性和实时性。

核心思路：论文的核心思路是利用微分平坦理论将轨迹规划问题转化为控制输入的设计问题，并通过伪谱法将连续优化问题离散化为非线性规划问题，从而实现轨迹的实时优化。通过从受损飞机的机动飞行包线中选择一系列配平点，确保生成的轨迹满足受损飞机的动态约束和地形规避要求。

技术框架：该方法主要包含以下几个阶段：1) 建立高保真非线性六自由度飞机模型，模拟受损飞机的动力学特性。2) 基于微分平坦理论，将轨迹规划问题转化为控制输入的设计问题。3) 利用伪谱法将连续优化问题离散化为非线性规划问题。4) 从受损飞机的机动飞行包线中选择一系列配平点，作为轨迹优化的约束条件。5) 使用非线性规划求解器，获得最优的控制输入序列，从而生成最优轨迹。6) 使用逆动力学方法，计算实现该轨迹所需的控制输入。

关键创新：该方法的主要创新点在于：1) 结合微分平坦理论、伪谱法和非线性规划，实现受损飞机的实时轨迹优化。2) 利用受损飞机的机动飞行包线作为约束条件，确保生成的轨迹满足受损飞机的动态约束。3) 提出了一种基于配平点选择的轨迹优化方法，能够有效地避开地形。与现有方法相比，该方法能够更好地适应受损飞机的动力学特性，并保证轨迹的实时性和安全性。

关键设计：该方法的关键设计包括：1) 高保真非线性六自由度飞机模型的建立，需要精确地描述受损飞机的动力学特性。2) 配平点的选择策略，需要根据优化目标和约束条件，合理地选择配平点，以保证轨迹的最优性和可行性。3) 非线性规划求解器的选择和参数设置，需要根据问题的规模和复杂程度，选择合适的求解器和参数，以保证求解的效率和精度。

📊 实验亮点

实验结果表明，该方法能够在不到一秒的时间内生成受损飞机的最优轨迹。与最优的整体轨迹相比，近似最优的实时轨迹保留了高达80%的最优性。该方法在NASA通用运输模型上进行了验证，模拟了在复杂山区地形附近方向舵失效的情况，证明了该方法在实际应用中的可行性和有效性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于开发受损飞机自动应急控制系统，提高飞行安全性，降低事故风险。在民用航空领域，可用于提升飞行管理系统的容错能力，应对突发故障。在军事航空领域，可用于提高受损飞机的生存能力和作战效能。此外，该方法还可推广到其他类型飞行器的轨迹优化问题，例如无人机和导弹。

📄 摘要（原文）

Aircraft failures alter dynamics, diminishing manoeuvrability. Such manoeuvring flight envelope variations, governed by the aircraft's complex nonlinear dynamics, are unpredictable by pilots and existing flight management systems. To prevent in-flight Loss of Control, post-failure trajectories must be optimal, planned in real-time, avoid terrain, and adhere to the impaired aircraft's reduced manoeuvrability and dynamic constraints. This paper presents a novel real-time trajectory optimization method for impaired aircraft based on a combination of differential flatness theory, the pseudospectral method, nonlinear programming, and inverse dynamics. In the proposed method, which utilizes a high-fidelity nonlinear six degree-of-freedom model, to conform to aircraft's altered dynamics a sequence of trim points is selected from the impaired aircraft's manoeuvring flight envelope based on the chosen optimization criteria, ensuring that the resulting three-dimensional trajectory observes terrain avoidance. Then, the required control inputs are obtained for each manoeuvre in less than a second. The method is applied to the NASA Generic Transport Model with rudder failure near a complex mountainous terrain. Both an optimal one-piece trajectory and a near-optimal piecewise path consisting of several optimal trajectories, are generated in non-real-time and real-time, respectively, and compared. Results show that the near-optimal real-time trajectory retains up to 80% of the optimality.