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JP2004326363A - Four-dimensional navigation object, four-dimensional navigation device, and four-dimensional control method of navigation object - Google Patents

Four-dimensional navigation object, four-dimensional navigation device, and four-dimensional control method of navigation object Download PDF

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JP2004326363A
JP2004326363A JP2003119011A JP2003119011A JP2004326363A JP 2004326363 A JP2004326363 A JP 2004326363A JP 2003119011 A JP2003119011 A JP 2003119011A JP 2003119011 A JP2003119011 A JP 2003119011A JP 2004326363 A JP2004326363 A JP 2004326363A
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point
dimensional
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way
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Masaharu Tanaka
雅晴 田中
Masanobu Mizoguchi
正信 溝口
Shinji Suzuki
真二 鈴木
Satoshi Ueda
聡史 植田
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To optimize movement of a four-dimensional navigation object which performs a complicated motion in fluid. <P>SOLUTION: A searching unit 11 finds an optimized passing point to further optimize an evaluation function value under a restricting condition as an optimized solution in an area in the vicinity of a target point. As for midway points, a first midway point WP<SB>0</SB>and a second midway point WP<SB>1</SB>pointed on a side closer to a target point WP<SB>safe</SB>than the first midway point WP<SB>0</SB>. The search unit 11 finds an optimized passing point S1 to further optimize the evaluation function value as the optimized solution in a vicinity area of the second midway point WP<SB>1</SB>in the middle of moving of a navigation main body 101 from a current location Q to the first midway point WP<SB>0</SB>. The optimum solution is smoothly and flexibly found in the vicinity area. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、4次元自動航行体、4次元航法装置、及び、航行体の4次元制御方法に関し、特に、航空機、船舶のような流体抵抗を受けて飛翔し又は航行する航行体の航路を最適化する4次元自動航行体、4次元航法装置、及び、航行体の4次元制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
航空機、船舶のような飛翔体、航行体(飛翔体と航行体は、これらの区別がされない場合には航行体といわれる)は、始点と終点との間の運動時間が規定されることが好ましい。旅客航空機、旅客船舶は、出発時刻と到着時刻とが予定されている。航空機では、離陸時刻と着陸時刻との変更が日常的に行われている。予定着陸空港の突然の積雪により、着陸空港の突然の変更が行われる。予定時刻より早くに到着する船舶は、入港を拒否される。
【0003】
ニュートンの運動方程式によれば、2点間の間で時々刻々に加速度が規定されれば2点間の運動経路は一意に定められるが、2点間の運動経路は空間的に無数にあり、且つ、時間的に無数にあり、2点間の運動経路は一意に定まらない。熟練者は、経験的知識に頼って2点間の時間的空間的運動経路(4次元運動経路)をリアルタイムに定めているが、熟練者が運動経路の変更の原因である初期条件の突然の変更に適正に対処することは困難である。
【0004】
無数にある運動経路の中から、残存燃料量、移動時間に対応する1つの4次元運動経路がパイロットにより採択される。パイロットにより採択される運動経路は、与えられた目標値に関して最適解にはならない。天候の急変、燃料廃棄等による燃料不足のような緊急状態では、パイロットの経験的判断によらずに、特に、緊急時には、最適航路解が瞬時的に導出されることが求められる。最適性は、安全性、最短時間性、消費燃料最小性のような物理的、経済的性質である。
【0005】
2点の位置とその2点間の移動時間が規定されるときに、運動方程式から逆ダイナミックスにより逆解として運動経路を一意に導出することができるためには、制約条件が必要である。そのような制約条件として、2点間の時々刻々の加速度が例示され、その加速度として特別には零である。加速度が零である移動条件は等速度である。このような時々刻々の加速度の条件が与えられれば、運動経路は一意に定められる。途中通過点の時刻と位置とが定められる場合にも、一意に運動経路は定められ得るが、航行体は途中点を通過する際に滑らかなに変化する加速度で移動することが求められ、規定される途中点を通過することは必要ではなく、途中通過点の近傍を通過して適正な加速度で運動することが求められる。
【0006】
無数にある解の中から適正解又は最適解を選択するために、2点の時刻が指定され時間変数がなく未知変数Xjで表される運動経路Z=Z(Xj)のうちで燃料最少量のような目標値を最小値化する問題は、4次元最適化問題といわれる。最適化の数学的技術は、後掲非特許文献1で知られている。広範囲に複数の適正解を求める数学的技術としては、遺伝的アルゴリズムが後掲非特許文献2で知られているように数学的には周知である。
【0007】
最適化問題の解法は、数学者により多様に詳細に研究されていて、後掲文献で知られているように周知である。航空機の飛行経路の最適化では、数学的学術文献で知られている複数の解法のうちで任意に1つを選択することは無意味であり、且つ、適正に選択された1つの解法をそのままに利用することは適正ではない。1点で直角に曲がることができない航空機は、適正な時々刻々の曲率を持つ円弧の軌跡上で運動することが求められる。航空機、船舶には、流体中で横滑りのような複雑な運動が生じる(純粋数学の分野では、機体、船体の横滑りのような概念が存在しない。)。そのような運動が取り込まれた運動方程式から運動経路が求められ、その運動経路のうち最適解を見つける最適化問題は、流体力学に特有である数学構造に対応する最適化手法の改良が求められる。
【0008】
流体中で複雑に運動する4次元航行体の運動の最適化を実現する技術の確立が求められる。更には、リアルタイムに4次元運動を最適化することが重要である。更には、必要最小限の解を見つけながらリアルタイムに次の経路の最適化を実現する技術の確立が望まれる。
【非特許文献1】
柳浦睦憲、茨木俊秀、「組合せ最適化問題に対するメタ戦略について」、電子情報通信学会論文誌Vol. J83−D1, No.1, pp.3−25, 2000年1月
【非特許文献2】
坂和正俊、田中雅博著、「遺伝的アルゴリズム」、朝倉書店、1995
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、流体中で複雑に運動する4次元航行体の運動の最適化を実現する技術を確立する4次元自動航行体、4次元航法装置、及び、航行体の4次元制御方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、リアルタイムに4次元運動を最適化する4次元自動航行体、4次元航法装置、及び、航行体の4次元制御方法を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、必要最小限の解を見つけながらリアルタイムに次の経路の最適化を実現する技術を確立する4次元自動航行体、4次元航法装置、及び、航行体の4次元制御方法を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、最適解の発見を柔軟化する技術を確立する4次元自動航行体、4次元航法装置、及び、航行体の4次元制御方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧()つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも1つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【0011】
本発明による4次元自動航行体は、流体中を航行する航行本体(101)と、航行本体(101)の航行を自動化し航行本体(101)に搭載されるコンピュータ(102)とから構成されている。コンピュータ(102)は、航行本体(101)の航路を4次元的に定める4次元航法ユニット(1)と、探索ユニット(9)から形成されている。4次元航法ユニット(1)は、航行本体(101)の現在の位置と目標点の間に指定される途中ウエイポイントとに基づいて航路(103)を生成する航路生成ユニット(2)と、航路(103)に対応するコマンド(6)を逆ダイナミックスに従って導出するコマンド生成ユニット(5)とから構成されている。探索ユニット(9)は、途中ウエイポイントを生成するウエイポイント生成ユニット(12)と、コマンド(6)に対応する評価関数の評価関数値をより適正化する適正解を計算により求める適正解探索ユニット(11)とから構成されている。探索ユニット(11)は、制約条件のもとで評価関数値をより適正化する適正化通過点を目標点の近傍領域の中で適正解として発見する。途中ウエイポイントは、第1途中ウエイポイント(WP)と、第1途中ウエイポイント(WP)より目標点(WPsafe又はWPff又はWP)の側に指定される第2途中ウエイポイント(WP)とが(パイロットにより)指定されている。探索ユニット(11)は、評価関数値をより適正化する適正化通過点(S1)を適正解として、航行本体(101)が航行本体(101)の現在位置(Q)から第1途中ポイント(WP)に移行する途中で第2途中ウエイポイント(WP)の近傍の中に発見する。
【0012】
ここで、目標点は、通常は最終目標点(WP)として指定されて設定されるが、目標点は第1途中ウエイポイント(WP)より1つ又は複数の先の節点(WP又はWP、j>2)が指定される。そのような指定は、主としてパイロットにより指定されるが、地上の管制官により指定され、又は、次々の指定ポイントが自動的に指定されることは否定されない。
【0013】
このような図6で抽象的に例示される4次元航法では、2つ又は3つ先の節点が途中ウエイポイントとして指定され、2つ又は3つ先の指定ウエイポイントを厳密に通過することは条件とされずに、それらの指定途中ウエイポイントの近傍中で最適化され(より最適化され、又は適正化され)る。このような適正化は、航行本体(101)が第1途中ウエイポイントWP又はその近傍に到達する時間帯より時間的に先に実行される。最終目標点又はその近傍まで全経路的に最適化されずに、とりあえず確実に安全に到達することができるポイント展開が行われ、計算時間の短縮化が可能である。同時併行で全経路の最適化の計算が他の計算機により実行されることは否定されない。本最適化航法は、柔軟な解法により計算時間の短縮化が可能であり、その短縮化の結果としてリアルタイム4次元制御が可能である。
【0014】
4次元通過点列が指定され、運動経路候補が逆解法により算出され、その運動経路候補に対応する航空機の旋回軌道部分の横滑りが考慮されている加速度が求められ、その加速度に対応して、エンジン推力、舵角を制御するコマンド(6)が仮想的に生成され、そのような運動条件に基づいて、燃料消費量が計算される。運動条件Xj(xj)と燃料消費量Qとは、関数関係Q:Q=Q(Xj(xj))で表される。ここで、xjは航路の座標又はその座標に対応する速度ベクトルであり、Xjはエンジンのタービンの回転数、機体の舵の舵角、横滑り角、空気の粘性抵抗、気圧、その他の多数の物理的パラメータであり、位置座標xjに対して変数であり、又は、定数である。関数関係Qの値が適正範囲に存在しなければ、変数Xjが更に探索される。探索の計算ループにより適正解が求められるまで最適化計算が繰り返される。適正解がなければ、新たにウエイポイントが指定される。指定されるウエイポイントを通過する解は必要ではなく、横滑り、機体の旋回性能のような自己性能条件の範囲内で可能に通過することができる領域(指定ウエイポイントの近傍領域)の中に適正化解が柔軟に求められ、適正解の非存在が有効に回避される。航行本体(101)は、順次に適正解を求めながら、適正目標値を順次に満たして最終目標点の近傍に到達することができる。着陸点に対応する最終目標点では、機体の方位角の制限条件が満たされることが重要である。このような順次に時系列的に適正解を算出する適正解導出技術は、熟練者の技術に相当し、且つ、その適正さは確実である。
【0015】
第2途中ウエイポイントは、第1途中ウエイポイントにより最終目標点の側で第1途中ポイントに隣り合って指定されることは自明的である。探索ユニット(11)は、第1途中ウエイポイントに移行する途中で、第1途中ウエイポイントと第2ウエイポイントを更新して指定することが可能である。このような更新は、解をダイナミックに(柔軟に)求めることができ、実用性に優れている。
【0016】
探索ユニット(11)に探索許容時間trefが設定され、探索許容時間trefは、現在時刻tから第1途中ウエイポイント(WP)に到着する予想時刻(近似的)までの時間として設定され、現在時刻から(tref−t)/kが経過するまでは、第1ウエイポイントと第2ウエイポイントWPは更新されない。この場合に、kが1より大きい数であることは、順次の適正解の導出の点で自明的に有用である。kは2として設定される。この場合には、航行速度が概ね一定に制御されていて、第1ウエイポイントと第2ウエイポイントとの中間点に到達する以前に、次の複数のウエイポイントが更新される。kは、2より小さいことが好ましい。第1ウエイポイントと第2ウエイポイントとの間の距離は、航行の安全性と計算速度とにより適正に設定される。
【0017】
探索許容(制限)時間は、現在時刻から第1途中ウエイポイントまでの距離を現在時刻の速度で割った値として設定される。2点間の航行軌跡は概ね直線であり、2点のそれぞれの近傍で旋回が実行されるので、2点間の速度は概ね一定である。燃料消費の最小化のためには、速度一定が好ましい。従って、第1途中ウエイポイントと第2途中ウエイポイントの間の距離Dは、現在時刻の速度がスカラー速度vで表されれば、近似的にD=v×trefで表される。
【0018】
評価関数には、最終ウエイポイントと途中ウエイポイントとにそれぞれに対応する節点に展開する展開可能性を示す展開可能判別評価関数と、目標点到達可能性を示す目標状態判別評価関数が含まれる。複数節点のそれぞれの目標点到達が可能であり、且つ、最終目標点に到達することが同時に可能でなければならない。展開可能判別評価関数は、次式:
f’(n,n)=c(n,n)+h’(n)+Q(n,n
で表され、目標状態判別評価関数は次式:
(n,n)=c(n,n)+h(n)+Q(n)
で表される。ここで、添字sは、目標点の近傍領域を示し、f’(n,n)の(n,n)は、初期点の航行本体(101)が目標点の近傍領域に到達した到達点に対応する節点nの評価値であることを示し、c(n)は初期点から節点nまでの第1評価値部分を示し、h’(n)は節点nから目標点までの航路に対応する第2評価値部分(ヒューリスティック関数)を示し、Q(n)は初期点から節点nまでの制約条件に対応する第3評価値部分を示し、f(n)は初期点から目標点までの評価値を示している。適正解は、目標状態判別評価関数の適正化により導出される。
【0019】
最終目標点までの全経路に関して最適化されず、適当な目標点到達までの予測的な評価関数が設定され、最適化の計算量が大幅に削減され、リアルタイム制御を一層に容易にする。
【0020】
航行本体しては、航空機、ヘリコプター、宇宙往還機、衛星、船舶、潜水艇を要素とする集合から選択される1要素が適正に例示される。このような航行本体は、空気抵抗、水抵抗を受けて横滑りする点で力学的に顕著に特徴的である。
【0021】
コンピュータ102は、航行本体101から切り離され得る。コンピュータ102を動作させるプログラムを記述する記録媒体は、コンピュータ102から切り離され得る。そのような媒体は、媒体として自由市場で流通可能である。
【0022】
本発明による4次元航法装置は、流体中の航行本体(101)の航路を4次元的に定める4次元航法ユニット(1)と、探索ユニット(9又は11)とから構成される。4次元航法ユニット(1)は、航行本体(101)の現在の位置と最終目標点の手前の目標点の間に指定される途中ウエイポイントとに基づいて航路(103)を生成する航路生成ユニット(2)と、航路(103)に対応するコマンドを逆ダイナミックス(運動方程式の逆解法)に従って導出するコマンド生成ユニット(5)とから形成される。探索ユニット(1)は、途中ウエイポイントを生成するウエイポイント生成ユニット(12又は13)と、コマンド(6)に対応する評価関数の評価関数値をより適正化する適正解を計算により求める適正解探索ユニット(11)とから形成されている。探索ユニット(9)は、制約条件のもとで評価関数値をより適正化する適正化通過点を適正解として指定される目標点の近傍領域の中で発見する。
【0023】
適正解が近傍領域の中で求められる点は、適正化の数学的手法と異なっている。近傍領域の中では、適正解は零でない加速度により記述される点で、純粋数学的手法と本質的に異なっている。
【0024】
評価関数はfで表され、f=f(V)で表され、ここで、Vは3次元速度ベクトルであり、3次元速度ベクトルは3次元位置ベクトルで記述され、境界条件として目標点の到着時刻と目標点の位置座標が与えられ、速度ベクトルは逆ダイナミックスにより計算器により求められる。
【0025】
途中ウエイポイントは、第1途中ウエイポイント(WP −1)と、第1途中ウエイポイントより最終目標点(WP)の側に指定される第2途中ウエイポイント(WP)と、第2途中ウエイポイントより最終目標点の側に指定される第3途中ウエイポイント(WPff)とが設定される。更に多点化されることは任意に自由である。探索ユニット(11)は、評価関数値をより適正化する適正化通過点を適正解として、第1途中ウエイポイントの第1途中近傍と第2途中ウエイポイントの第2途中近傍と第3途中ウエイポイントの第3途中近傍の中にそれぞれに発見する。それぞれの節点では、非零加速度で適正化される。
【0026】
評価関数は、最終ウエイポイントと途中ウエイポイントとにそれぞれに対応する節点に展開する展開可能性を示す展開可能判別評価関数と、目標点到達可能性を示す目標状態判別評価関数を含み、展開可能判別評価関数は、次式:
f’(n)=g(n)+h’(n)+Q(n)
で表され、目標状態判別評価関数は次式:
(n)=g(n)+h(n)+Q(n)
で表される。ここで、添字sは、目標点の近傍領域を示し、f’(n)の(n)は、初期点の航行本体が目標点の近傍領域に到達した到達点に対応する節点nの評価値であることを示し、g(n)は初期点から節点nまでの第1評価値部分を示し、h’(n)は節点nから目標点までの航路に対応する第2評価値部分を示し、Q(n)は初期点から節点nまでの制約条件に対応する第3評価値部分を示し、f(n)は初期点から目標点までの評価値を示している。この場合の適正解は、目標状態判別評価関数の適正化により導出される。この場合には、適正解はオフラインで発見され、リアルタイム制御は必ずしも求められていない。
【0027】
探索ユニットには、リアルタイム制御の場合と同様に、ヒューリスティック関数生成ユニット(14)が追加される。航路は、ヒューリスティック関数生成ユニット(14)に入力される。h’(n)は、ヒューリスティック関数生成ユニット(14)により生成される。適正解に対応する航路はフィードバックゲインとして探索ユニット(11)から出力され、フィードバックゲイン(41)はコマンド生成ユニット(5)に入力される。
【0028】
本発明による航行体の4次元制御方法は、2点の時刻と位置とを境界条件として、2点の間の複数点のそれぞれの近傍から選択される第1近傍位置を通過する航行本体(101)の2点間の第1航行経路を逆ダイナミックス計算機により計算するステップと、第1航行経路に対応する航行本体(101)の運動に関する評価関数の第1評価関数値を関数値計算機により計算するステップと、2点の時刻と位置とを境界条件として、その近傍から選択される第2近傍位置を通過する航行本体の2点間の第2航行経路を逆ダイナミックス計算機により計算するステップと、第2航行経路に対応する航行本体の運動に関する評価関数の第2評価関数値を関数値計算機により計算するステップと、第1評価関数値と第2評価関数値との大小関係を比較計算機により計算するステップと、第1評価関数値と第2評価関数値のうち値がより適正である評価関数値に対応する航行経路で航行本体の運動を制御するステップとから構成されている。多様な制約条件のもとでスムーズな航路が最適的に求められる。
【0029】
探索ユニットは、数学的探索手法としてTABU探索法を採用することが顕著に有用である。TABU探索法は、近傍をより小さい小領域に分割しながら小領域の中に最適解を発見する。TABU法の探索空間は、4次元航法の探索領域である空間に一致し、TABU法の利点は、4次元航法の最適化のためにそのままに、又は、改良されて受け継がれることは重要な利点である。
【0030】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による4次元航法の最適化システムの実施の形態は、4次元自動航行体の航行本体に4次元制御コンピュータが同体に搭載されている。その4次元自動航行体の航行本体101は、図1に示されるように、航行本体101の4次元運動を制御する4次元制御コンピュータ102がその航行本体101に同体に搭載されている。航行本体102は、4次元制御コンピュータ102により最適化される運動経路103の上で航行する。以下、航行本体101は、航空機の機体として記述される。
【0031】
4次元制御コンピュータ102は、4次元航法ユニット1を備えている。4次元航法ユニット1は、図1に示されるように、逆ダイナミックス計算ユニット(飛行経路生成ユニット)2を備えている。逆ダイナミックス計算ユニット2は、出発点と到達点(途中通過点の追加が可能)とで指定される4次元運動点列3が初期的に与えられる場合に、運動方程式に基づいて4次元運動データ4を逆算して求める。出発点と途中通過点と到達点とは、それぞれに4次元データにより構成されている。
【0032】
4次元運動点列は、3次元位置とその位置に対応する時刻の集合である。4次元運動データ4は、時々刻々の加速度として逆ダイナミックスにより求められる。初期時刻から時々刻々の時刻まで加速度を時間的に積分することにより、時々刻々の速度が求められ得る。その速度を更に時間的に積分することにより、時々刻々の3次元位置が求められ、変数の次元数は1つ現象する。その3次元位置点の連続である4次元運動データの集合は、飛行経路に一致している。
【0033】
4次元航法ユニット1は、更に、コマンド生成ユニット5を備えている。逆ダイナミックス計算ユニット2が出力する4次元運動データ(飛行経路)4は、コマンド生成ユニット5に入力される。コマンド生成ユニット5は、4次元運動データ4に基づいて、4次元運動経路3に運動物体(例示:大気圏内飛行物体である航空機、大気圏外飛行物体である宇宙船のような飛翔物体、液体中航行物体である船体)を位置づける運動制御用コマンド6を生成する。運動制御用コマンド6は、エンジン推力、舵角のような飛行物体に3次元加速度を与えるために機械要素に送信する制御信号である。
【0034】
4次元航法ユニット1は、更に、評価シミュレータ7を備えている。コマンド生成ユニット5から出力される運動制御用コマンド6は、評価シミュレータ7に入力される。評価シミュレータ7は、運動制御用コマンド6に基づいて評価値8を計算して出力する。評価値8は、後述されるように、運動位置に対応する変数で記述される。変数は、後述されるように、最適化対象の変数であり、時間tが消去された3次元位置座標、特には、3次元位置座標に対応する速度ベクトルで代表される。評価値を示す評価関数は、最適化変数とパラメータ(既述の運動制御用コマンド)とにより記述される。そのパラメータは、最適化変数で記述され得る。
【0035】
その最適化ユニット9は、最適解探索ユニット11を備えている。評価値8は、循環的に最適化ユニット9に入力される。最適解探索ユニット11は、4次元座標ベクトルを最適化問題の変数とする評価関数の値である評価値8を最小化する最適解の速度ベクトルを導出する。最適解探索ユニット11は、更に、最適解の速度ベクトルに対応するフィードバックゲイン41を出力する。フィードバックゲイン41は、4次元運動データ4とともにフィードバック信号としてコマンド生成ユニット5に入力される。
【0036】
最適化探索ユニット11は、評価関数の最適値(最小値又は最大値)を多様な探索法により求めることができる。その最適値に対応する時系列的4次元通過点のうちで3次元通過点列であるウエイポイント(way points)が、ウエイポイント生成ユニット12により生成される。
【0037】
最適解探索ユニット11は、パイロットが初期的に離散的4次元運動経路(初期的ウエイポイント)3を設定する運動経路設定器13を形成している。運動経路設定器13により、必須通過点である4次元設定座標(t,x,y,z)12が設定器13により初期的に入力される。4次元設定座標(t,x,y,z)12としては、航行中の運動物体の運動制御を開始する制御開始設定座標(t00,x00,y00,z00)と、その運動物体の運動制御を終了する制御終了設定座標(t0n,x0n,y0n,z0n)(例示:着陸寸前の運動物体に対応する滑走路始端座標)との2点が少なくとも初期的に含まれる。更には、両座標を結ぶ運動経路の有限点の途中設定座標(t0j,x0j,y0j,z0j)が初期的に含まれる。これらの座標は、以下、4次元初期設定座標(way points)(t0j,x0j,y0j,z0j)で代表的に表される。最適解探索ユニット11により導出される最適化(適正化)運動経路3は、運動経路設定器13に設定され又は設定されずに最適解探索ユニット11から出力される。最適解探索ユニット11により導出される4次元運動経路3は、飛行経路生成ユニット2に入力される。そのように更新される4次元運動経路3に基づいて、コマンド生成ユニット5と評価シミュレータ7と最適解探索ユニット11により更に適正化される運動経路が求められる。
【0038】
飛行経路生成ユニット2から出力される4次元運動データ4は、ヒューリスティク関数生成ユニット14に入力される。ヒューリスティク関数生成ユニット14は、後述されるように、先行する節点(通過点)と最終点との間の節点を通過する飛行体に関して、適正評価値特には最適評価値を予測的に定めるヒューリスティクス関数を記述する予測的目標関数部分として与えられる。ヒューリスティク関数生成ユニット14で生成される予測的目標関数部分は、最適解探索ユニット11に設計されて設定されている目的関数(評価関数)の部分を規定する。
【0039】
4次元誘導の最適化の一般的な数学手法の詳細
4次元誘導の最適化の数学手法では、最適制御問題は非線形計画問題に変換され得る。非線形計画問題の中で、最適化探索方法のアルゴリズムが策定される。最適化の探索が導入される最適制御問題の解法は、オフライン探索法とオンライン探索法を含む。以下に、(I)4次元誘導の最適化と、(II)オフライン探索法と、(III)オンライン探索法とが詳細に記述される。
【0040】
(I)4次元誘導の最適化
最適制御問題は、4次元誘導により非線形計画問題に数学的に変換される。状態方程式は、時間t、ベクトルの状態量x(t)∈R、ベクトルの制御量u(t)∈Rとで構成される。その状態方程式の出力(本発明では、時々刻々の3次元速度v)がy(t)∈Rで表される。この場合には、(m−k)項(又は次元)又は(m−k)項(項数は次元数に一致)の拘束条件c(t)∈R が必要である。
【0041】
時間を含む評価関数Jは、
【数1】

Figure 2004326363
で表され、制約条件(t∈[t0,t])は、下記式
【数2】
Figure 2004326363
で表され、最適制御問題は評価関数Jを最小値化する問題に変換される。
【0042】
逆システムが構成されれば、x(t)とu(t)とは、出力y(t)で表現され得る。逆システムは、逆ダイナミクス解を計算により求める計算機である。逆ダイナミックスの解は、出発点と到達点と所要時間とから求められる運動状態である。運動状態は、通過点集合の飛行軌跡、飛行軌跡上の任意の通過点位置の加速度である。任意通過点の速度は、加速度の積分により計算され得る。この場合には、出力y(t∈[t0,t])は、逆システムにより、時間tに関係しない変数X∈Rにより表現され得る。特には、出力y(t)の時刻は、通過点位置の運動状態特に通過点位置の速度ベクトルXで表され得る。ここで、tは出発時刻(時間としては0)を示し、tは目的地到達時刻(出発時点から到達時点までの時間間隔)を示す。出力y(t)は、時間tに関係しない変数X∈Rにより表現され得る。評価関数Jは、新たに、次式で表される。
【0043】
【数3】
Figure 2004326363
【0044】
この場合に、制約条件は下記式:
【数4】
Figure 2004326363
で表される。評価関数Jと制約条件は、評価シミュレータ7で設計的に設定される。このように、式(1)の最適制御問題は、式(4)で表される評価関数Jを最小化する変数Xを制約条件(5),(6)のもとで見出す非線形計画問題に変換される。変数Xは、非線形計画問題の中で、最適化変数といわれる。
【0045】
4次元誘導、特に、流体内自由移動体(例示:航空機、宇宙往還機、移動衛星、潜水艇)の4次元誘導では、出力y(ベクトル)として速度ベクトルV(絶対値、方向角、経路角)が選ばれ、拘束cとして横滑り角βが選ばれる。速度ベクトルは、2つのWay−Point(以下、WP:3次元通過点)の間の3次元補間により得られる経路を連続時間tにより微分することにより得られる。非線形計画問題の最適化変数Xは、飛行経路を決定するWPの4次元ベクトル(3次元位置x,y,zと時刻t)として与えられ得る。非線形計画問題の評価関数は、下記のように設計され得る。
【0046】
【数5】
Figure 2004326363
時間tの積分形で表される評価関数Jは、3次元座標(x,y,z)の関数として表される。ここで、右辺第4項の被積分関数のうちのThcは、そのときの速度で飛行しているエンジン推力に一致している。Ct、Cf、Ce、Cuは係数であり、それぞれに、所要時間、燃料消費、トラッキングエラー、制御入力に関係している。燃料消費、トラッキングエラー、制御入力は、t∈[0,t]の積分計算により得られ得る。これらの値は、Xに対して一意に決定され得る。評価関数Jの第1項は飛行時間tの一次関数項で表され、その第2項は非線形関数項で表される。初期時刻t(=0)から到達時刻tまで時間に関して積分される第2項には任意の時刻は現れず、評価関数は速度ベクトルで表され得る。最適化により、拘束条件のもとで最適速度が求められる。この場合には、速度は全飛行区間で一定値解として逆システムにより求められ、又は、複数飛行区間でそれぞれに一定値解として逆システム(飛行経路生成ユニット2)により求められ得る。
【0047】
図2は、制約条件を示している。その表には、航空機に対応する制約条件として、等式制約条件と不等式制約条件とが示されている。不等式制約条件として、高度、速度、迎角、姿勢角、角速度、加重倍数が示されている。これらの値は、規定される最大値より低くなければならない。等式制約条件として、終端位置エラー、終端速度エラー、終端バンク角が示されている。これらの値は正確に定められるが、計算の都合のために必要である許容誤差が認められる。評価関数値の最適値解を導出する過程で発散が生じる場合には、探索は中止される。
【0048】
発散が生じる場合には評価関数と制約条件を正当に評価することができない。発散の状態を評価することにより、ペナルティー関数Jnewが設計される。i番目の制約条件の状態変数の値はpで表され、それの上限値と下限値とがp max、p minで表される。下記の2つの式のいずれかは満足されている。
【数6】
Figure 2004326363
【0049】
等式制約は、そのままでは計算を困難にする。その困難を緩和するために、緩和係数vが導入される。i番目の等式制約条件の状態変数はqで表され、その制約の値はq で表され、次式が規定される。
【数7】
Figure 2004326363
【0050】
このような制約条件に対して、ペナルティー評価関数Jnewが設計される。
【数8】
Figure 2004326363
ここで、CsとCcは、対応する制約条件に関するスケーリング係数を示し、正の値である。
【0051】
このように設計された評価関数に対して最適値解が求められる。最適値解を求める探索手法として、既述のR−TABU探索法が採用され得る。R−TABU探索法では、図3に示されるように、最適化変数X(速度に対応する位置座標として示される)の近傍にサイズhが同じである異なる領域群H(X,h)が設定される。現在点Pと次期目標点Qとの間は、ベクトル(後述されるWP)で示されている。航空機は、点Qを通過するとは限られず、点Qの近傍を通過する。点Qを中心とする半径rの円が探索領域Cとして規定される。
【0052】
探索領域Cは、簡易に2次元平面で表されている(又は球面の断面として表されている)。探索領域Cは、円Cの中に含まれランダムに選択される複数の小円C1j(n=1,・・・,n)に分割される。有限個の複数の小円C1jの集合は、円Cを覆い尽くす。全小円C1jに関して、評価関数Jが計算により求められる。有限個の複数の評価値のうち最小値(又は最大値)を持つ小円C1kが選択される。小円C1kは、有限個の複数の小円C2nに分割される。有限個の複数の小円C2jの集合は、円C1kを覆い尽くす。
【0053】
全小円C1kに関して、評価関数Jが計算により求められる。有限個の複数の評価値のうち最小値を持つ小円C2sが選択される。小円C1nの半径は、小円Cの半径のh分の1である。小円C2nの半径は、小円C1nの半径のh分の1である。同様に、小円C”tn”の半径は、小円C(t −1 )nのh分の1である。適正回数の深度更新探索により、領域Hのうち評価値が最大である(関数Jが最小又は最大である)最適値化変数X(点の位置に対応)が深度回数tで試行錯誤的に求められる。このように、探索領域である近傍領域区間[a,b](今の場合には、[0,r],・・・,[r −1,r]が等比級数的に縮小されるR−TABU手法により、次期最適通過点Q’が求められる。その次期最適通過点Q’は、既述の制約条件の全てを充足している。
【0054】
このような探索区間の絞り込みは、下記のように表される。
【数9】
Figure 2004326363
【0055】
このような数学的規定のもとで、R−TABU探索手法のアルゴリズムは、下記のステップにより構成される。
R−TABU−S1:
適正な初期解X、ステップ縮小率L、ステップ数ns、カウント数ncが定められる。
R−TABU−S2:
初期解Xの近傍領域群H(X,h)が定められる。:カウント用整数がi,jで表され、i=1,j=0。
R−TABU−S3:
近傍領域H(X,h)の中に、ランダムに解Yが生成される。
【0056】
R−TABU−S4:
試行解Yが初期解Xよりよい解であれば、そのYが初期解Xに代置される。
R−TABU−S5:
j=j+1の代置が実行され、j<ncであれば、次のステップはR−TABU−S3に移行し、j<ncでなければ、i=i+1の代置が実行され、j=0が設定され、次のステップはR−TABU−S6に移行する。
【0057】
R−TABU−S6:
i<=nsであれば、次のステップはR−TABU−S3に移行し、i<=nsでなければ、次のステップはR−TABU−S7に移行する。
R−TABU−S7:
終了判定がyesであれば、Xが最適解として抽出される。終了判定がnoであれば、ステップはR−TABU−S2に移行する。
【0058】
図4は、隣りあう2点の指示点が与えられた場合の最適飛行経路を示している。第(j−1)指示通過点P −1と第j指示通過点Pが通過時刻とともにパイロットにより初期的に最適解探索ユニット11の運動経路設定器13に設定されている場合に、航空機は第(j−1)指示通過点P −1と第j指示通過点Pとを結ぶ直線(1点鎖線)に沿って飛行することは特別な場合を除いてあり得ない。第(j−1)指示通過点P −1に向かう航空機は、現在位置に基づいて、第(j−1)指示通過点P −1の第(j−1)近傍21を通過する。
【0059】
第1(j−1)近傍21を通過する航空機は、第1(j−1)近傍21の適正化点に基づいて、第j指示通過点Pの第j近傍22を通過する。最適化通過点は、最適解探索ユニット11で最適化計算により求められる。第(j−1)最適化通過点P’ −1は第(j−1)近傍21の中に見出され、第j最適化通過点P’は第j近傍22の中に見出され、最適飛行経路23は滑らかな実線で表されている。他の最適化候補の2点鎖線図示の飛行経路24は、その最適化度の点では、最適飛行経路23より劣っている(ことが評価シミュレータ7により判定される。)。
【0060】
(II)オフライン探索法
2点以上の多点が指示される多点通過経路に関して全体的に可能な限り一意的に最適解を導出する最適制御は、オフライン制御と呼ばれる。オフライン制御では、全経路の最適解が求められ、航空機はその最適解経路で飛行する。状態空間探索問題では、状態空間S、初期状態s∈S、目標状態判定関数P:s→{True, False}、基本操作O(s)=si+1が定義される。WPに関する概念として、”WPポインタ、と、”先端WP”とが、次のように定義される。
【0061】
WPポインタ:
状態空間探索問題では、あるWPがその前のWPからどのように移動するかを決定する。具体的には、1つのWPとそれの次のWPとの間の相対的位置と相対時間は、ベクトルにより指定される。そのようなベクトルは、WPポインタと呼ばれる。WPポインタを初期状態から他の状態まで足し加えることにより、WPの位置が順次に指定される。図5に示されるように、i番目のWPはベクトルWPPiで表され、i−1番目のWP −1からi番目のWPに向かうWPポインタはWPPiで表現される。
WPP=WP−WP −1
【0062】
先端WP:
終端のWPを含まないWPの系列の最先端のWP(目的地のWPの1つ手前のWP)は、先端WPと呼ばれてWPPffで表される。
【0063】
集合と操作の定義:
WPffに関して、集合と操作は次のように定義される。
・状態S:状態sは先端のWPであるWPffの近傍領域。Sはその集合。
・初期状態s∈S:誘導開始時の位置(WP
・目的状態判別P:→{True, False}:最適化による全制約条件の充足が探索目的とされ、展開済みの近傍領域sの全てに対して探索が実行される。全ての制約が充足される解が見つかればTrue、そうでなければFalse。
・基本操作O(s)=si+1:適当なWPポインタはWPPnewで表される。先端WPは、WPff←WPff+WPPnewのように更新される。このように更新されたWPPffの近傍空間は近傍領域si+1に設定される。
【0064】
状態集合S:
状態である近傍領域sは、ある有限な空間に一致している。今考えられている近傍領域sは、先端のWPであるWPffの近傍領域である。WPffは、1つ手前のWPであるWPff −1にWPポインタWPPffを加えることにより、次のように表現することができる。
WPff=WPff −1+WPPff
【0065】
ここで、WPff −1が固定されていれば、近傍領域sの範囲はWPff −1が指し得る範囲のみにより決定することができる。よって、初期状態であるWPからWPポインタを順に加えていくときに、WPポインタが指し得る範囲を決めることにより、全ての近傍領域sを決定することができる。WPポインタが指し得る範囲は、航空機の運動性能(例示:旋回半径、推力、機体構造、機内幼児の存在)によって定められ得る。機内に幼児が存在する場合には、加速度の上限が低く抑えられる。
【0066】
展開可能判別:
基本操作の連鎖により、状態sは順次に生成される。このように基本操作により状態sを展開するときに、適切なWPポインタWPPnew(図5のWPP)が用いられている。飛行経路を指定する2つのWPの間は、実際には、スプライン関数で連続的に結ばれている。WPを展開する場合には、WPffと終端のWPの間の経路の上に、次のWPffが展開されるように、WPPnewが決定される。先端のWPの近傍領域である状態sが展開可能であることは、次のように定義される。
【0067】
・sが展開可能≡WPff←WPff+WPPnewとして設定される新たな近傍空間si+1に、WP〜WPffまでの飛行に関する制約条件を全て満たすようなWPffが含まれていること(終端条件が満たされ必要はない)。
【0068】
連続空間の離散化:
連続した空間として形成されているWPの近傍領域であるsは、状態空間探索問題の前提条件である”問題の解の候補が離散的であり、有効に数え上げる”ことができない。ここで、TABU探索手法がR−TABU探索手法に拡張されるように、特定される1つのWPの近傍領域sにサイズhが互いに異なる複数の領域群H(WP,h)が設定される。各領域の中でWPがランダムに発生し、そのWPで各領域を代表させることが有効である。各領域H(WP,h)の代表WPがWPHjで表され、近傍sがWPHjの集合として考えられれば、有限個のWPが存在するsは有効に数えられることができる。
【0069】
WPポインタの最適化:
全ての状態sは、WPポインタの系列WPP(i=1,・・・,ff)により決定され得る。目標状態判別とWPの展開可能判別は、WPをランダムに生成することにより連続空間が離散化されて定義されるsに対して、それぞれの判別の制約条件を充足することを目的とする最適化問題として定義され得る。
・目標状態判別と展開可能判別は、ランダムに生成されるWPポインタの系列WPP(i=1,・・・,ff)と終端状態に向かう時刻tとが最適化問題の変数であり、それぞれの判別の制約条件を充足することを目的にする最適化問題に変換される。このように変換された最適化問題の解法のためには、R−TABU手法が適用され得る。
【0070】
評価関数の設定:
評価(値)関数として、展開可能判別と目標状態判別のためのf’(n)と、目標判別のためのf(n)との2種類が設計されて、評価シミュレータ7の関数設定部分(図示されず)に設定される。両者は、制約条件をペナルティー関数法で取り込む。展開可能判別と展開節点選択のための評価関数(展開可能判別評価関数といわれる)f’(n)の設計手法は、下記のように表現される。
f’(n)=g(n)+h’(n)+Q(n)
【0071】
ここで、h’(n)は、ヒューリスティック関数であり、4次元運動データ4に対応してヒューリスティク関数生成ユニット14で設定される。展開可能判別評価関数は、評価シミュレータ7に設定されるとともに、最適解探索ユニット11に導入されて最適解探索ユニット11に設定される。ヒューリスティック関数は、飛行経路生成ユニット2が出力する4次元運動データ4に対応する評価関数部分として最適化ユニット9で生成されて最適解探索ユニット11に導入されるが、評価シミュレータ7に設定される必然性はない。
【0072】
現在の節点n(図5のffに相当)が示す状態は、sである。状態sは、先端のWPであるWPffの近傍領域を示している。ここで、WPffの時間要素tffは、最適化の対象には含まれず、予め指定されている(今の問題は、規定されている時刻tに到達するまでの燃料消費量が最小化される問題)。g(n)は、初期節点から節点nまでのコスト(例示:燃料消費量)である。g(n)は、次のように構成される。
【数10】
Figure 2004326363
【0073】
展開可能判別と展開節点の評価のための飛行シミュレーションでは、計算コストの軽減のために、tffまで積分が実行されている。目標到達点の1つ手前の節点(nff)と目標到達点の間の飛行のためのコストが、予想的に表される。そのような予想的なコスト関数は、既述の通りヒューリスティック関数と呼ばれ、ヒューリスティック関数h’(n)の導入が必須的である。ヒューリスティック関数h’(n)は、”目標状態にどれだけ近いか”を評価するための関数として必須的に導入されている。ヒューリスティック関数h’(n)は、具体的には、次のように設計され得る。
【0074】
【数11】
Figure 2004326363
【0075】
ここで、Θwe、Ψweは、終端直前の目標飛行経路の経路角と方位角の差(単位はDegree)をそれぞれに示し、CΘw、CΨwはそのスケーリング係数を示す。ヒューリスティック関数h’(n)の第1項であるC(t−tff)は、最適解探索ユニット11が内蔵するクロックのクロック基準の現時刻の評価対象WPの先端点から目標点までにかかる予測コストの主要部分である。
【0076】
次に、ペナルティー関数法の制約条件の評価値Q(n)が示される。Q(n)は、制約条件が足し加えられた関数であり、WP〜WPffの制約条件を含んでいる。評価値Q(n)は、次のように設計される。
【0077】
【数12】
Figure 2004326363
【0078】
次に、目標判別のための評価関数(目標判別評価関数)f(n)の設計方法が示される。目標判別評価関数f(n)は、次式で表される。
(n)=g(n)+h(n)+Q(n)
ここで、g(n)+h(n)は、次式で示される。
【数13】
Figure 2004326363
【0079】
目標判別評価関数f(n)の制約条件の評価値Q(n)は、全ての制約条件を考慮していて、f(n)は次式で示される値になる。
【数14】
Figure 2004326363
【0080】
目標点WPには、近傍領域は原則的に設定されない。目標点としては、着陸空港の4次元誘導停止点(完全自動航行の停止点)又は軌道衛星の4次元接合点が例示され、近傍領域の面積又は体積は実質的に零である。目標判別評価関数fnは、予定到達時刻まで時間に関して積分されている。目標判別評価関数fnは、最終的評価値を記述する。目標点(現実に最終的に指示されている最終目標点に限られず、厳密に規定される途中通過点を含む。例示:経路途中に含まれる中間着陸点)より1つ手前の通過点として規定される節点までを記述する経路の節点展開可能判別関数は、全ての制約条件が充足されていて、目標点の1つ手前の通過点近傍に確実に到達することができる。
【0081】
状態空間探索による最適値問題の解法(アルゴリズムA):
ステップS1−A
先端状態WPffは、初期状態WPとして設定される。
WPff←WP
整数iがi=0に設定され、WPffは、図5に示されるように、WPがウエイポイント12として設定される。制御パラメータの探索範囲とR−TABU探索手法(又は改良R−TABU探索手法)の各種のパラメータが設定される。
ステップS2−A
i番目のWPであるWPに関して、基本操作Oが実行される。i←i+1の更新が実行される。
【0082】
ステップS3−A
i番目のWPポインタであるWPPに関して、WPP←WPPnewの更新が実行される。
ステップS4−A
WPポインタWPPに関して、指すことができる範囲(探索範囲)sが球座標で設定される。
【0083】
ステップS5−A
WPポインタの系列WPP(j=1,・・・,i)の球座標成分と終端時間tが最適化変数Xにより表されて最適化問題が構成され、最適化方法としてR−TABU手法が適用される。評価関数としては、Aアルゴリズムの評価関数:
f’(n)=g(n)+h’(n)+Q(n)
が適用される。同時に、制御パラメータは、最適化変数Xに含められて最適化が実行される。ヒューリスティック関数h’(n)がヒューリスティク関数生成ユニット14で生成されて、ヒューリスティック関数h’(n)を部分的に含む展開可能判別評価関数f’(n)が最適解探索ユニット11で記述される。
【0084】
ステップS6−A
最適化計算が、最適解探索ユニット11で実行される。制約が充足されなければ、ステップはステップS1−Aに移行し、制約が満たされれば、ステップはステップS7−Aに移行する。
ステップS7−A
更に、最適化計算が実行される。ある程度に最適化計算が続けられた時点で得られている解のうちで最良解が確保される(Aアルゴリズムによる展開節点の選択に相当する。)。
【0085】
ステップS8−A
ステップS7−Aの解が初期解として扱われ、既述の評価関数:
(n)=g(n)+h(n)+Q(n)
に対して最適化が実行される(目標状態判別)。式(15)の展開可能判別評価関数f’(n)が最適化により求められてh’が求められ、式(17)により式(20)の{g(n)+h(n)}が知られ、式(19)の目標状態判別評価関数f(n)が求められる。
【0086】
ステップS9−A
規定の試行回数(又は時間)のうちに制約を充足する解が得られなければ、その状態が目標状態であると推定されて、それが解として出力される。そうでなければ、ステップはステップS2−Aに移行する。
【0087】
目標状態判別評価関数f(n)の最小値探索によりそれの値として適正値が見出されれば、その適正値が最適解探索ユニット11からウエイポイント生成ユニット12に出力され、その最適化適正値に対応する次のWPポインタWPPi+1がウエイポイント生成ユニット12で生成される。その新たなWPポインタWPPi+1に基づいて、次の区間の飛行経路が計算され、航空機にコマンドが与えられ、次周期の最適解探索が最適解探索ユニット11で繰り返される。このような最適解探索の繰り返しループのアルゴリズムにより、WPffの近傍に含まれる最適到達点が最適化され、最後に、目標状態判別評価関数f(n)により航空機の最終目標到達点までの全飛行経路が最適化されて決定される。
【0088】
既述のオフライン制御飛行の最適化は、航空機の離陸準備の段階で決定され、最適化飛行経路は1通りに決定され、リアルタイム制御の可能性は特には考慮されていない。
(3)オンライン探索法
計算機の計算速度が十分に速い場合は、現在点と目標点の間の最適飛行経路をリアルタイムに計算することができることは自明的である。気流の変動その他の予測不可能な要因が存在する場合には、計算速度が十分に速くない計算機を用いてリアルタイム制御であるオンライン飛行制御が重要である。
【0089】
オンライン飛行制御に適用される最適化計算では、次の2つの事項が重要である。
・一定時間以内に実行可能解が生成されること:
最適化計算の収束性に影響を及ぼすいくつかのパラメータがうまく調整され、所望の性能が得られ得るようになされていること。
・安全性が確保されること:
一定時間以内に次の誘導則が生成され得なかったときには、誘導制御則は更新されずに、飛行が続行されるように、危険回避を含む誘導制御則の更新プログラムが組まれる。更には、実機搭載時に確実に一定時間以内に誘導則が生成され得るように、最適化計算に許される制限時間がマージンが含められて決定されること。
【0090】
初期状態の設定:
現在(現在時刻)のWPであるWPが、初期状態として図6に示されるように設定される。現在の飛行位置Pに対して、初期状態WPはこれから飛行して進む方向にある。生成されるWPは、未来の飛行経路にある。
【0091】
目標状態判別と展開判別:
WPに1回の基本操作が実行されて、ウエイポイント生成ユニット12でWPが生成される。WPに1回の基本操作が実行されて、ウエイポイント生成ユニット12でWPが生成される。WPとWPは、ウエイポイント生成ユニット12で同時的に設定される。WPは、オフライン探索の先端点として設定される。オフライン探索が、WPに対して図1で示される閉ループ最適化探索が実行され、WPに対して、節点展開判別と目標状態判別が順番に実行される。ヒューリスティック関数は、WPから目的地WPまでのコストを推定する。両判別は、既述の最適化問題の解に対して実行される。
【0092】
安全性の確保:
次のWPの展開のためには、2つ先のWPまでの評価値が用いられる。現在の探索の対象のWPが展開可能に確保されて、現在の展開試行で指定される時間以内に節点が展開され得ない場合の飛行経路が確保される。WPまで可能である節点展開が確保され、目標状態判別は全節点展開判断が終わった後に開始される。現在時刻から近未来である短い区間に関して安全に且つその短い区間のうちで最低限的に最適である飛行経路の確保がリアルタイムに可能である飛行方法が、次に述べられるオンライン制御方法である。
【0093】
初期状態の移動:
更新周期tref以内でWPが確保され目標点まで最適化の探索が最適解探索ユニット11で実行されて、その目標判別がFalseであれば、航空機はWPまで移動する。このような移動は、安全に最適的に実行され得る。そのWPが、新たにWPとして設定される。WPに移動する場合には、生成される経路の途中にあるWPの上で目標経路が切り替えられる。
【0094】
オンライン飛行制御のための評価関数の設計:
現在地のWPはWPに設定される。WPに対応する現在の節点は、nで表される。節点nに基本操作が1回ずつ2回が実行されて得られる節点は、手前から順に、n,nで表される。n,nに対応する状態sに含まれるWPは、それぞれにWP,WPで表される。展開可能判別と展開節点選択の最適化計算の評価関数f’(n,n)は、次のように設計される。
f’(n,n)=c(n,n)+h’(n)+Q(n,n
ここで、Q(n,n)には、ペナルティー関数法の制約条件が足し加えられた関数であり、WP〜WPの制約条件が含まれる。
【0095】
このような評価関数では、次の節点を展開するために、2つ先の節点までの評価値が用いられている。このことにより、現在の節点nを展開可能に確保しているので、次の節点展開試行で指定される時間の範囲内で節点が展開され得なかったときに、WPに到達する前に次期節点展開が即時的に可能である。
【0096】
目標状態判別関数である命題:
”最適化による全制約条件の充足を探索目的として、展開済みの近傍領域sの全てに対して探索を実行し、全ての制約を充足する解が見つかればTrue、全ての制約を充足する解が見つからなければFalse。”
に関して、既述のアルゴリズムと同じ最適化アルゴリズムを用いることができる。この場合には、評価関数は、次式により設計される。
(n,n)=c(n,n)+h(n)+Q(n)
ここで、Q(n)は、ペナルティー関数法の制約条件を足し加えた関数であり、WP〜WPNnewの制約条件(終端条件を含む)を含んでいる(WPNnewは、目標地点のWPである。)。
【0097】
本発明によるオンライン飛行制御のリアルタイムアルゴリズムRTAは、下記のように表現される。
ステップS1−RTA
初期状態は、WPで表される。制御パラメータの探索範囲とR−TABU探索手法(又は改良R−TABU探索手法)の各種のパラメータが設定される。
ステップS2−RTA
WPからtref秒だけ現在の速度で直進飛行した位置が新たにWPとして設定される。新規設定前のWP(図6の点Q)から3trefだけ現在の速度で直進進行した位置(P)のWPのベクトルは、WPsafeで表される。WPsafeは、安全確保のためのWPである。
【0098】
ステップS3−RTA
WPに基本操作Oが実行され、得られるWPはWPで表される。
ステップS4−RTA
1番目のWPポインタであるWPPに関して、WPP←WPPnewの更新が実行される。
ステップS5−RTA
WPポインタであるWPPに関して、指すことができる範囲(探索範囲)sが球座標で設定される。
【0099】
ステップS6−RTA
WPに基本操作Oが実行され、得られるWPはWPで表される。
ステップS7−RTA
2番目のWPポインタであるWPPに関して、WPP←WPPnewの更新が実行される。
ステップS8−RTA
WPポインタのであるWPPに関して、指すことができる範囲(探索範囲)sが球座標で設定される。
【0100】
ステップS9−RTA
WPポインタの系列WPPとWPPのそれぞれの球座標成分と終端時間tとが最適化変数Xとされて最適化問題が構成され、改良R−TABU手法が適用される。展開可能判別評価関数としては、RTAアルゴリズムの展開可能判別評価関数:
f’(n,n)=c(n,n)+h’(n)+Q(n,n
が適用される。同時に、制御パラメータは、最適化変数Xに含められて最適化が実行される。
【0101】
ステップS9−RTA
最適化計算が実行される。WPPの上で(例示:tref/2秒以内)制約条件が充足される解が見出されなければ、ステップはステップS11−RTAに移行し、制約条件が満たされれば、ステップはステップS10−RTAに移行する(WPの展開可能判別に相当する)。
ステップS10−RTA
ref/2秒まで、更に最適化計算が続行され、よりよい解が探索される。tref/2秒になった時点で、ステップはステップS12−RTAに移行する(Aアルゴリズムによる展開節点の選択に相当する)。
【0102】
ステップS11−RTA
評価関数f’(n,n)に対して、更に制約条件の充足可能性が探索される。tref秒以内に制約条件が充足されれば、ステップはステップS12−RTAに移行し、充足されなければ、ステップはステップS14−RTAに移行する。
ステップS12−RTA
現在得られている解が初期解として扱われ、既述の目的状態判別評価関数:
(n,n)=c(n,n)+h(n)+Q(n)
に対して最適化が実行される(目標状態判別)。
【0103】
ステップS13−RTA
ref秒以内に制約条件を充足する解が得られれば、その状態が目標状態であると推定されて、それが解として出力される。そうでなければ、WP←WP、WPsafe←WPの更新が実行され、ステップはステップS3−RTAに移行する。(WPに向かう飛行経路を選択することに相当する。)
【0104】
ステップS14−RTA
WPsafeが存在しなければ探索は失敗してプロセスは終了する。WPsafeが存在すれば、WP←WPsafe、WPsafe=0の更新が実行され、ステップはステップS3−RTAに移行する。(WPsafeに向かう飛行経路を選択することに相当する。)
【0105】
このように2つ先のWP(=WP)まで飛行経路の最適探索を実行する。1つ先のWP(=WP)まで移動する途中で、更により最適である解が探索されて求められる。飛行経路WPの上で制約条件を充足する解を発見することができずにWPに到達してしまう場合には、探索は失敗に帰する。探索失敗の場合には、目標点の変更(着陸空港の変更)が必要である。
【0106】
WPに到達するまでに制約条件を充足する最適解を見出して、WPがWPに再設定され、WPが新規にWPに再設定されて、RTAのアルゴリズムが次周期探索として実行され、WPPffが新規にWPに新規に再設定されるまで、このようなRTAアルゴリズムが繰り返えされ、航空機がWPPffの先端点に到達するまで、リアルタイムに最適化探索が実行される。
【0107】
近未来の飛行経路上に他の航空機が存在し、又は、近未来の飛行経路上に雷雲が発生し、又は、目標到達時刻が急に変更されるような場合には、通過点が変更され、変更されたウエイポイントに関して、逐次最適化計算(2通過点単位の節点展開と全経路の最適化)が実行される。
【0108】
実施の他の形態:
最適解探索手法は、既述のTABU探索手法に限られない。他の探索手法として、遺伝的進化手法、焼き鈍し手法、ローカルリサーチ手法が周知的に知られている。これらの手法のうちの任意の手法にAアルゴリズム又はRTAアルゴリズムが組み合わせられて有効に適用される。遺伝的アルゴリズムでは、最適化変数が突然変異的に又は遺伝子交換的に変更される。遺伝的アルゴリズムは、局所解に陥る可能性が低く複数解を導出する最適化手法として周知である。
【0109】
利用例:
本発明による4次元自動航行体は、パイロットの操縦が困難であり、又は、パイロットが不存在である航行体に利用されて特に有用である。軌道衛星でなく軌道を自由に変更することが求められる衛星の最適制御は、人によっては不可能に近い。他の衛星に接近自在である宇宙線、軌道の高低の変更が要求される災害探知衛星、衛星間連絡船に関する最適化は燃料消費の最小化が特に求められる点で効果的である。暴風圏を回避する船舶に関する最適化は、燃料消費の最小化が特に求められる点で効果的である。
【0110】
運動方程式の逆解であり時間が消去された軌道解は、物理的パラメータと位置座標により記述される評価関数に1対1に対応する。従って、4次元航法の最適解法は、運動方程式の逆解の最適化問題に変換され得る。その変換は、物理的な普遍的法則により可能である。最適化のアルゴリズムの中にTABU法が採択されることは重要である。遺伝的アルゴリズム、焼き鈍し法、ローカルリサーチ法はTABU法に代えられて有効に利用されるが、遺伝的アルゴリズム、焼き鈍し法、ローカルリサーチ法がTABU法に組み合わされて利用されることは顕著に効果がある。
【0111】
【発明の効果】
本発明による4次元自動航行体、4次元航法装置、及び、航行体の4次元制御方法は、リアルタイムの4次元航行を実現することができる。更には、最適解を柔軟に発見することができ、航行体を滑らかに誘導することができる。離発着を含めて全航行を自動化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による4次元航法の最適化システムの実施の形態を示すシステムブロック図である。
【図2】図2は、制約条件を示す表である。
【図3】図3は、TABU法を示す示すグラフである。
【図4】図4は、最適飛行経路の探索のアルゴリズムを示すグラフである。
【図5】図5は、最適飛行経路の他の探索のアルゴリズムを示すグラフである。
【図6】図6は、最適飛行経路の更に他の探索のアルゴリズムを示すグラフである。
【符号の説明】
101…航行本体
102…コンピュータ
103…航路
1…4次元航法ユニット
2…飛行経路生成ユニット
5…コマンド生成ユニット
6…コマンド
9…探索ユニット
11…適正解探索ユニット
12…ウエイポイント生成ユニット
14…ヒューリスティック関数生成ユニット
41…フィードバックゲイン
WP…第1途中ウエイポイント
WP…第2途中ウエイポイント
WPsafe…目標点
WP…最終目標点
WP −1…第1途中ウエイポイント
WP…第2途中ウエイポイント
WPff…第3途中ウエイポイント
s1…適正化通過点[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a four-dimensional automatic navigator, a four-dimensional navigation device, and a four-dimensional control method for a navigator, and in particular, optimizes a route of a navigator that flies or navigates by receiving fluid resistance such as an aircraft or a ship. The present invention relates to a four-dimensional automatic navigation body, a four-dimensional navigation device, and a four-dimensional control method for a navigation body.
[0002]
[Prior art]
Flying objects such as aircraft and ships, and navigating objects (the flying object and the navigating object are referred to as navigating objects if these are not distinguished from each other) are preferably defined with a movement time between a start point and an end point. . Departure times and arrival times are scheduled for passenger aircraft and passenger ships. In an aircraft, a change between a takeoff time and a landing time is performed on a daily basis. The sudden snowfall at the scheduled landing airport causes a sudden change in the landing airport. Ships arriving earlier than scheduled will be denied entry.
[0003]
According to Newton's equation of motion, if the acceleration is defined momentarily between two points, the motion path between the two points is uniquely determined, but the motion path between the two points is infinitely spatial, In addition, there are countless times, and the motion path between the two points is not uniquely determined. The expert relies on empirical knowledge to determine the spatio-temporal movement path between two points (four-dimensional movement path) in real time, but the expert has sudden changes in the initial conditions that cause the movement path change. It is difficult to properly deal with changes.
[0004]
From the countless motion paths, one four-dimensional motion path corresponding to the remaining fuel amount and the travel time is adopted by the pilot. The motion path adopted by the pilot is not an optimal solution for a given target value. In an emergency state such as a sudden change in weather or a shortage of fuel due to fuel disposal, it is required that an optimal route solution be derived instantaneously, especially in an emergency, without depending on the pilot's empirical judgment. Optimality is a physical and economic property such as safety, minimum time, and minimum fuel consumption.
[0005]
When the positions of the two points and the travel time between the two points are defined, a constraint condition is necessary so that the motion path can be uniquely derived as an inverse solution from the equation of motion by inverse dynamics. As such a constraint condition, an instantaneous acceleration between two points is exemplified, and the acceleration is particularly zero. The moving condition where the acceleration is zero is a constant speed. If such an instantaneous acceleration condition is given, the motion path is uniquely determined. Even when the time and position of the waypoint are determined, the movement path can be uniquely determined, but the navigation body is required to move with a smoothly changing acceleration when passing through the waypoint. It is not necessary to pass through the midway point to be performed, but it is required to pass near the midway point and move at an appropriate acceleration.
[0006]
In order to select an appropriate solution or an optimal solution from among a myriad of solutions, two points of time are designated, there is no time variable, and the minimum amount of fuel in the motion path Z = Z (Xj) represented by the unknown variable Xj The problem of minimizing the target value as described above is called a four-dimensional optimization problem. A mathematical technique for optimization is known from Non-Patent Document 1 below. As a mathematical technique for obtaining a plurality of proper solutions in a wide range, a genetic algorithm is mathematically well known as disclosed in Non-Patent Document 2 below.
[0007]
The solution of the optimization problem has been studied in various details by mathematicians and is well known as is known in the following literature. In optimizing the flight path of an aircraft, it is meaningless to arbitrarily select one of a plurality of solutions known in the mathematical academic literature, and one properly selected solution remains unchanged. It is not appropriate to use it. An aircraft that cannot make a right angle turn at one point is required to move on an arc trajectory having an appropriate momentary curvature. Aircraft and ships have complicated movements such as skidding in the fluid (the concept of skidding of airframes and hulls does not exist in the field of pure mathematics). A motion path is obtained from the equation of motion that incorporates such motion, and the optimization problem of finding the optimal solution among the motion paths requires improvement of the optimization method corresponding to the mathematical structure that is unique to fluid mechanics .
[0008]
There is a need to establish a technology for optimizing the motion of a four-dimensional navigation body that moves in a complicated manner in a fluid. Furthermore, it is important to optimize the four-dimensional motion in real time. Furthermore, it is desired to establish a technology for realizing the next route in real time while finding the minimum solution.
[Non-patent document 1]
Mutsunori Yanagiura and Toshihide Ibaraki, "On Meta Strategies for Combinatorial Optimization Problems," IEICE Transactions Vol. J83-D1, No. 1, pp. 3-25, January 2000
[Non-patent document 2]
Masatoshi Saka, Masahiro Tanaka, "Genetic Algorithm", Asakura Shoten, 1995
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a four-dimensional automatic navigation body, a four-dimensional navigation device, and a four-dimensional control method for a navigation body that establish a technology for optimizing the movement of a four-dimensional navigation body that moves in a complicated manner in a fluid. To provide.
Another object of the present invention is to provide a four-dimensional automatic navigator, a four-dimensional navigation device, and a four-dimensional control method for a navigator, which optimize a four-dimensional motion in real time.
Still another object of the present invention is to provide a four-dimensional automatic navigation system, a four-dimensional navigation device, and a four-dimensional navigation system that establish a technique for realizing the next route optimization in real time while finding the minimum necessary solution. It is to provide a control method.
Still another object of the present invention is to provide a four-dimensional automatic navigation body, a four-dimensional navigation device, and a four-dimensional control method for a navigation body, which establish a technique for flexibly finding an optimal solution.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Means for solving the problem are expressed as follows. The technical items appearing in the expression are appended with numbers, symbols, etc. in parentheses (). The numbers, symbols, and the like refer to technical items that constitute at least one embodiment or a plurality of the embodiments of the present invention, in particular, the embodiments or the examples. Corresponds to the reference numbers, reference symbols, and the like assigned to the technical matters expressed in the drawings corresponding to. Such reference numbers and reference symbols clarify the correspondence and bridging between the technical matters described in the claims and the technical matters of the embodiments or examples. Such correspondence / bridge does not mean that the technical matters described in the claims are interpreted as being limited to the technical matters of the embodiments or the examples.
[0011]
A four-dimensional automatic navigation body according to the present invention includes a navigation body (101) that navigates in a fluid, and a computer (102) that automates navigation of the navigation body (101) and is mounted on the navigation body (101). I have. The computer (102) is composed of a four-dimensional navigation unit (1) for four-dimensionally determining the route of the navigation body (101) and a search unit (9). A four-dimensional navigation unit (1) comprising: a route generation unit (2) for generating a route (103) based on a current way point designated between the current position of the navigation body (101) and a target point; And a command generation unit (5) for deriving a command (6) corresponding to (103) according to inverse dynamics. The search unit (9) includes a way point generation unit (12) that generates way points in the middle, and a proper solution search unit that calculates and calculates a proper solution that further optimizes the evaluation function value of the evaluation function corresponding to the command (6). (11). The search unit (11) finds, as a proper solution, a proper passing point that further optimizes the evaluation function value under the constraint condition in a region near the target point. The way point on the way is the first way point (WP0) And the first waypoint (WP0) From the target point (WPsafeOr WPffOr WPf) Side, the second waypoint (WP)1) And (by the pilot). The search unit (11) sets the optimized passage point (S1) for further optimizing the evaluation function value as an appropriate solution, and sets the navigation body (101) from the current position (Q) of the navigation body (101) to the first halfway point ( WP0) On the way to the second way point (WP)1) In the neighborhood.
[0012]
Here, the target point is usually the final target point (WPf), But the target point is the first waypoint (WP)0), One or more nodes (WP2Or WPj, J> 2) are specified. Such designations are primarily designated by the pilot, but it is not denied that the designation is made by a ground controller or that successive designated points are automatically designated.
[0013]
In such a four-dimensional navigation abstractly illustrated in FIG. 6, a node two or three ahead is designated as a way point on the way, and it is strictly necessary to pass exactly through the designated way point two or three ahead. It is optimized (more optimized or optimized) in the vicinity of those designated way points without being made a condition. Such optimization is achieved by the navigation body (101) having the first waypoint WP.0Alternatively, it is executed earlier in time than the time zone in which it reaches the vicinity. The point expansion that can safely reach the final target point or the vicinity thereof without being optimized over the entire route is performed for the time being, and the calculation time can be reduced. It is not denied that the calculation of the optimization of all paths is executed by another computer in the simultaneous parallel processing. This optimization navigation can shorten the calculation time by a flexible solution, and as a result of the shortening, real-time four-dimensional control is possible.
[0014]
A four-dimensional passing point sequence is specified, a motion path candidate is calculated by an inverse solution, and an acceleration is calculated in consideration of the skidding of the turning trajectory portion of the aircraft corresponding to the motion path candidate. A command (6) for controlling the engine thrust and the steering angle is virtually generated, and the fuel consumption is calculated based on such a motion condition. The exercise condition Xj (xj) and the fuel consumption Q are represented by a functional relationship Q: Q = Q (Xj (xj)). Here, xj is the coordinates of the navigation route or a velocity vector corresponding to the coordinates, and Xj is the number of revolutions of the turbine of the engine, the rudder angle of the fuselage, the side slip angle, the viscous resistance of air, the atmospheric pressure, and many other physical properties. Parameters, and are variables or constants with respect to the position coordinates xj. If the value of the functional relationship Q is not in the proper range, the variable Xj is further searched. The optimization calculation is repeated until a proper solution is obtained by the search calculation loop. If there is no proper solution, a new waypoint is designated. A solution that passes through the designated way point is not necessary, and is appropriate within an area that can pass through within the range of self-performance conditions such as skidding and turning performance of the aircraft (area near the designated way point). The solution is determined flexibly, and the absence of a proper solution is effectively avoided. The navigation body (101) can sequentially reach the appropriate target value and reach the vicinity of the final target point while sequentially finding the appropriate solution. At the final target point corresponding to the landing point, it is important that the azimuth limit condition of the aircraft is satisfied. Such a proper solution deriving technique for sequentially calculating a proper solution in a time series corresponds to a skill of a skilled person, and its suitability is certain.
[0015]
It is obvious that the second way point is designated by the first way point on the side of the final target point adjacent to the first way point. The search unit (11) can update and specify the first way point and the second way point while moving to the first way point. Such updating can dynamically (flexibly) find a solution, and is excellent in practicality.
[0016]
The search allowable time tref is set in the search unit (11), and the search allowable time tref is set at the current time tref.0From the first waypoint (WP0) Is set as a time until an estimated time (approximately) to arrive at (tref−t)0) / K until the first way point and the second way point WP1Is not updated. In this case, it is obvious that k is a number larger than 1 in terms of sequentially deriving a proper solution. k is set as 2. In this case, the traveling speed is controlled to be substantially constant, and the next plurality of way points are updated before reaching the intermediate point between the first way point and the second way point. k is preferably smaller than 2. The distance between the first way point and the second way point is appropriately set according to the navigation safety and the calculation speed.
[0017]
The search allowable (limit) time is set as a value obtained by dividing the distance from the current time to the first waypoint by the speed at the current time. The trajectory between the two points is substantially a straight line, and since the turning is performed near each of the two points, the speed between the two points is substantially constant. Constant speed is preferred to minimize fuel consumption. Accordingly, if the speed at the current time is expressed by the scalar speed v, the distance D between the first way point and the second way point is approximately represented by D = v × tref.
[0018]
The evaluation functions include an expandable determination evaluation function indicating the expandability of nodes that respectively expand to the final way point and the intermediate way point, and a target state determination evaluation function indicating the target point reachability. It is necessary to be able to reach the respective target points of a plurality of nodes and to reach the final target point at the same time. The expandable discriminant evaluation function is given by the following equation:
f 's(N, n1) = C (n, n2) + H '(n2) + Qs(N, n2)
The target state determination evaluation function is represented by the following equation:
ff(N, n1) = C (n, n2) + H (n2) + Qf(N)
Is represented by Here, the subscript s indicates a region near the target point, and f ′s(N, n1) Of (n, n1) Indicates that the navigation body (101) at the initial point is an evaluation value of the node n corresponding to the arrival point at which the navigation body (101) has reached the area near the target point, and c (n) indicates the first value from the initial point to the node n. H ′ (n) indicates a second evaluation value portion (heuristic function) corresponding to the route from node n to the target point;s(N) indicates a third evaluation value portion corresponding to the constraint condition from the initial point to the node n, and ff(N) indicates the evaluation value from the initial point to the target point. The proper solution is derived by optimizing the target state determination evaluation function.
[0019]
The optimization is not performed for the entire route to the final target point, but a predictive evaluation function for reaching an appropriate target point is set, the amount of calculation for optimization is greatly reduced, and real-time control is further facilitated.
[0020]
As the navigation body, one element selected from a set including an aircraft, a helicopter, a spacecraft, a satellite, a ship, and a submarine is appropriately exemplified. Such a navigation body is mechanically distinctive in that it slides in response to air resistance and water resistance.
[0021]
The computer 102 can be disconnected from the navigation body 101. A recording medium that describes a program for operating the computer 102 can be separated from the computer 102. Such media are available in the free market as media.
[0022]
The four-dimensional navigation apparatus according to the present invention includes a four-dimensional navigation unit (1) for determining a navigation route of a navigation body (101) in a fluid in four dimensions and a search unit (9 or 11). A four-dimensional navigation unit (1) generates a route (103) based on a current position of the navigation body (101) and an intermediate way point specified between a target point before a final target point. (2) and a command generation unit (5) for deriving a command corresponding to the route (103) according to inverse dynamics (an inverse solution method of motion equation). The search unit (1) includes a waypoint generation unit (12 or 13) for generating waypoints on the way, and a proper solution for calculating a proper solution for further optimizing the evaluation function value of the evaluation function corresponding to the command (6). And a search unit (11). The search unit (9) finds an optimized passing point that further optimizes the evaluation function value under the constraint condition in a region near the target point designated as an appropriate solution.
[0023]
The point that a proper solution is obtained in the neighborhood region is different from the mathematical method of optimization. Within the neighborhood, the proper solution is essentially different from the pure mathematical method in that it is described by a non-zero acceleration.
[0024]
The evaluation function is represented by f, and f = f (V), where V is a three-dimensional velocity vector, and the three-dimensional velocity vector is described by a three-dimensional position vector. Given the time and the position coordinates of the target point, the velocity vector is determined by the calculator using inverse dynamics.
[0025]
The way point on the way is the first way point (WPi -1) And the final target point (WPf) Side, the second waypoint (WP)i) And a third way point (WP) designated on the side of the final target point from the second way point.ff) Is set. It is arbitrarily free to be multipointed. The search unit (11) determines a proper pass point that further optimizes the evaluation function value as a proper solution, and determines a first halfway point near the first halfway point, a second halfway point near the second halfway point, and a third halfway way. Each is found in the third halfway point vicinity of the point. At each node, optimization is done with non-zero acceleration.
[0026]
The evaluation functions include an expandable discrimination evaluation function indicating the expandability that expands to the nodes corresponding to the final way point and the intermediate way point, and a target state judgment evaluation function that indicates the target point reachability, and can be expanded. The discriminant evaluation function is as follows:
f 's(N) = g (n) + h ′ (n) + Qs(N)
The target state determination evaluation function is represented by the following equation:
ff(N) = g (n) + h (n) + Qf(N)
Is represented by Here, the subscript s indicates a region near the target point, and f ′s(N) of (n) indicates that the navigation body at the initial point is the evaluation value of the node n corresponding to the arrival point at which the navigation body has reached the area near the target point, and g (n) indicates the evaluation value from the initial point to the node n. H ′ (n) indicates a second evaluation value portion corresponding to a route from the node n to the target point, and Q ′s(N) indicates a third evaluation value portion corresponding to the constraint condition from the initial point to the node n, and ff(N) indicates the evaluation value from the initial point to the target point. The proper solution in this case is derived by optimizing the target state determination evaluation function. In this case, a proper solution is found off-line, and real-time control is not always required.
[0027]
As in the case of real-time control, a heuristic function generation unit (14) is added to the search unit. The route is input to a heuristic function generation unit (14). h '(n) is generated by the heuristic function generation unit (14). The route corresponding to the proper solution is output from the search unit (11) as a feedback gain, and the feedback gain (41) is input to the command generation unit (5).
[0028]
The four-dimensional control method for a navigation body according to the present invention uses a navigation body (101) that passes through a first neighborhood position selected from each neighborhood of a plurality of points between two points, using the time and the position of the two points as boundary conditions. ) Calculating the first navigation route between the two points by the inverse dynamics computer, and calculating the first evaluation function value of the evaluation function relating to the motion of the navigation body (101) corresponding to the first navigation route by the function value calculator. Calculating the second navigation route between the two points of the navigation body passing through the second neighborhood position selected from the neighborhood, using the time and position of the two points as boundary conditions, using a reverse dynamics computer. Calculating, by a function value calculator, a second evaluation function value of an evaluation function relating to the motion of the navigation body corresponding to the second navigation route, and comparing the magnitude relation between the first evaluation function value and the second evaluation function value The calculation is performed by a computer, and the motion of the navigation body is controlled on the navigation route corresponding to the evaluation function value whose value is more appropriate among the first evaluation function value and the second evaluation function value. . A smooth route is optimally required under various constraints.
[0029]
It is significantly useful that the search unit employs a TABU search method as a mathematical search method. The TABU search method finds an optimal solution in a small area while dividing the neighborhood into smaller smaller areas. The search space of the TABU method corresponds to the space that is the search area of the four-dimensional navigation, and the advantage of the TABU method is that it is an important advantage that it is inherited as it is or is improved for the optimization of the four-dimensional navigation. It is.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Corresponding to the figure, in the embodiment of the four-dimensional navigation optimization system according to the present invention, a four-dimensional control computer is mounted on the navigation body of a four-dimensional automatic navigation body. As shown in FIG. 1, the navigation body 101 of the four-dimensional automatic navigation body includes a four-dimensional control computer 102 for controlling the four-dimensional movement of the navigation body 101, which is mounted on the navigation body 101. The navigation body 102 navigates on a motion path 103 optimized by the four-dimensional control computer 102. Hereinafter, the navigation body 101 is described as an aircraft body.
[0031]
The four-dimensional control computer 102 includes the four-dimensional navigation unit 1. The four-dimensional navigation unit 1 includes an inverse dynamics calculation unit (flight path generation unit) 2 as shown in FIG. When the four-dimensional motion point sequence 3 specified by the starting point and the arrival point (addition of a passing point is possible) is initially given, the inverse dynamics calculation unit 2 performs the four-dimensional motion based on the motion equation. Data 4 is back calculated. The starting point, the passing point on the way, and the reaching point are each constituted by four-dimensional data.
[0032]
The four-dimensional motion point sequence is a set of three-dimensional positions and times corresponding to the positions. The four-dimensional motion data 4 is obtained by inverse dynamics as momentary acceleration. By integrating the acceleration temporally from the initial time to the instantaneous time, the instantaneous speed can be obtained. By integrating the speed over time, a three-dimensional position is obtained every moment, and the number of dimensions of the variable is reduced by one. A set of four-dimensional motion data that is a continuation of the three-dimensional position points matches the flight path.
[0033]
The four-dimensional navigation unit 1 further includes a command generation unit 5. The four-dimensional motion data (flight path) 4 output by the inverse dynamics calculation unit 2 is input to the command generation unit 5. Based on the four-dimensional motion data 4, the command generation unit 5 moves the moving object (for example, a flying object such as an aircraft that is a flying object in the atmosphere, a spacecraft that is a flying object outside the atmosphere, or a liquid) in the four-dimensional movement path 3. A motion control command 6 for positioning the hull, which is a navigation object, is generated. The motion control command 6 is a control signal transmitted to a machine element in order to give a three-dimensional acceleration to a flying object such as an engine thrust and a steering angle.
[0034]
The four-dimensional navigation unit 1 further includes an evaluation simulator 7. The exercise control command 6 output from the command generation unit 5 is input to the evaluation simulator 7. The evaluation simulator 7 calculates and outputs an evaluation value 8 based on the exercise control command 6. The evaluation value 8 is described by a variable corresponding to the exercise position, as described later. The variable is a variable to be optimized, as will be described later, and is represented by three-dimensional position coordinates from which the time t has been deleted, particularly, a velocity vector corresponding to the three-dimensional position coordinates. The evaluation function indicating the evaluation value is described by an optimization variable and a parameter (the motion control command described above). The parameters can be described by optimization variables.
[0035]
The optimization unit 9 includes an optimum solution search unit 11. The evaluation value 8 is cyclically input to the optimization unit 9. The optimal solution search unit 11 derives a velocity vector of an optimal solution that minimizes an evaluation value 8 that is a value of an evaluation function using a four-dimensional coordinate vector as a variable of an optimization problem. The optimal solution search unit 11 further outputs a feedback gain 41 corresponding to the velocity vector of the optimal solution. The feedback gain 41 is input to the command generation unit 5 as a feedback signal together with the four-dimensional motion data 4.
[0036]
The optimization search unit 11 can obtain the optimum value (minimum value or maximum value) of the evaluation function by various search methods. Way points, which are three-dimensional passing point sequences, out of the time-series four-dimensional passing points corresponding to the optimum value, are generated by the way point generation unit 12.
[0037]
The optimal solution search unit 11 forms a motion path setting unit 13 in which a pilot initially sets a discrete four-dimensional motion path (initial way point) 3. The four-dimensional set coordinates (t, x, y, z) 12, which are essential passing points, are initially input by the motion path setting unit 13. The four-dimensional set coordinates (t, x, y, z) 12 include control start set coordinates (t00, x00, y00, z00) for starting motion control of a moving object during navigation, and motion control of the moving object. At least initially, two points of the control end setting coordinates (t0n, x0n, y0n, z0n) (example: runway start coordinates corresponding to the moving object just before landing) to be ended are included. Further, the coordinates (t0j, x0j, y0j, z0j) set in the middle of the finite point of the motion path connecting the two coordinates are initially included. These coordinates are hereinafter typically represented by four-dimensional initial coordinates (way points) (t0j, x0j, y0j, z0j). The optimized (optimized) motion path 3 derived by the optimal solution search unit 11 is output from the optimal solution search unit 11 with or without being set in the motion path setting unit 13. The four-dimensional motion path 3 derived by the optimal solution search unit 11 is input to the flight path generation unit 2. Based on the four-dimensional motion path 3 updated in this way, a motion path that is further optimized by the command generation unit 5, the evaluation simulator 7, and the optimal solution search unit 11 is obtained.
[0038]
The four-dimensional motion data 4 output from the flight path generation unit 2 is input to a heuristic function generation unit 14. The heuristic function generation unit 14, as described later, determines a proper evaluation value, particularly an optimum evaluation value, for a flying object passing through a node between a preceding node (passing point) and a final point. It is given as a predictive objective function part describing the tics function. The predictive target function part generated by the heuristic function generation unit 14 defines a part of an objective function (evaluation function) designed and set in the optimal solution search unit 11.
[0039]
Details of general mathematical methods for optimization of 4D guidance
In the four-dimensional guidance optimization mathematical approach, the optimal control problem can be transformed into a nonlinear programming problem. An algorithm of an optimization search method is formulated in the nonlinear programming problem. The solution of the optimal control problem in which the search for optimization is introduced includes an offline search method and an online search method. Hereinafter, (I) optimization of four-dimensional guidance, (II) offline search method, and (III) online search method will be described in detail.
[0040]
(I) Optimization of 4D guidance
The optimal control problem is mathematically transformed into a nonlinear programming problem by four-dimensional derivation. The state equation is expressed as time t, vector state quantity x (t) tRn, Vector control amount u (t) ∈RmIt is composed of The output of the equation of state (in the present invention, the three-dimensional velocity v every moment) is y (t) ∈RkIs represented by In this case, the constraint condition c of the (mk) term (or dimension) or (mk) term (the number of terms matches the number of dimensions)y(T) ∈Rm kis necessary.
[0041]
The evaluation function J including time is
(Equation 1)
Figure 2004326363
And the constraint condition (t∈ [t0, tf]) Is the following formula
(Equation 2)
Figure 2004326363
The optimal control problem is converted to a problem that minimizes the evaluation function J.
[0042]
If an inverse system is configured, x (t) and u (t) can be represented by output y (t). An inverse system is a computer that calculates an inverse dynamics solution by calculation. The solution of the inverse dynamics is a motion state obtained from the starting point, the arrival point, and the required time. The motion state is a flight trajectory of a set of passing points, and acceleration at an arbitrary passing point position on the flight trajectory. The velocity of the arbitrary passing point can be calculated by integrating the acceleration. In this case, the output y (t∈ [t0, tf]) Is a variable X∈R that is independent of time t due to the inverse system.kCan be represented by In particular, the time of the output y (t) can be represented by the motion state of the passing point position, particularly the velocity vector X of the passing point position. Where t0Indicates the departure time (time 0), tfIndicates a destination arrival time (time interval from the departure time to the arrival time). The output y (t) is a variable X∈R independent of time t.kCan be represented by The evaluation function J is newly expressed by the following equation.
[0043]
(Equation 3)
Figure 2004326363
[0044]
In this case, the constraint is:
(Equation 4)
Figure 2004326363
Is represented by The evaluation function J and the constraint conditions are set by the evaluation simulator 7 in design. As described above, the optimal control problem of Expression (1) is a nonlinear programming problem in which the variable X that minimizes the evaluation function J expressed by Expression (4) is found under the constraints (5) and (6). Is converted. The variable X is called an optimization variable in the nonlinear programming problem.
[0045]
In the four-dimensional guidance, particularly in the four-dimensional guidance of a free moving object in a fluid (for example, an aircraft, a spacecraft, a mobile satellite, and a submarine), a velocity vector V (absolute value, direction angle, path angle) is used as an output y (vector). ) Is selected and cyIs selected as the side slip angle β. The velocity vector is obtained by differentiating a path obtained by three-dimensional interpolation between two Way-Points (hereinafter, WP: three-dimensional passing points) with a continuous time t. The optimization variable X of the nonlinear programming problem can be given as a four-dimensional vector (three-dimensional position x, y, z and time t) of the WP that determines the flight path. The evaluation function for a nonlinear programming problem can be designed as follows.
[0046]
(Equation 5)
Figure 2004326363
The evaluation function J expressed in the integral form of the time t is expressed as a function of the three-dimensional coordinates (x, y, z). Here, Thc of the integrand of the fourth term on the right side matches the thrust of the engine flying at the speed at that time. Ct, Cf, Ce, and Cu are coefficients, each of which is related to required time, fuel consumption, tracking error, and control input. The fuel consumption, tracking error, and control input are t∈ [0, tf] Can be obtained. These values can be uniquely determined for X. The first term of the evaluation function J is the flight time tfThe second term is represented by a non-linear function term. From the initial time t (= 0) to the arrival time tfNo arbitrary time appears in the second term integrated with respect to time, and the evaluation function can be represented by a velocity vector. By the optimization, the optimum speed is obtained under the constraint condition. In this case, the velocity can be obtained by the inverse system as a constant value solution over the entire flight section, or can be obtained by the inverse system (flight path generation unit 2) as a constant value solution for each of a plurality of flight sections.
[0047]
FIG. 2 shows a constraint condition. The table shows equality constraints and inequality constraints as constraints corresponding to the aircraft. As inequality constraints, altitude, speed, angle of attack, attitude angle, angular velocity, and weighting multiple are shown. These values must be lower than the specified maximum. The end position error, the end speed error, and the end bank angle are shown as the equation constraint conditions. These values are accurately defined, but allow for the tolerances required for computational convenience. If divergence occurs in the process of deriving the optimal value solution of the evaluation function value, the search is stopped.
[0048]
When divergence occurs, the evaluation function and the constraint cannot be evaluated properly. By evaluating the state of divergence, a penalty function Jnew is designed. The value of the state variable of the ith constraint is piWhere the upper and lower limits are pi max, Pi minIs represented by Either of the following two equations is satisfied.
(Equation 6)
Figure 2004326363
[0049]
Equational constraints make calculations difficult as they are. To mitigate the difficulty, the relaxation coefficient viIs introduced. The state variable of the i-th equation constraint is qiAnd the value of the constraint is qi cAnd the following equation is defined.
(Equation 7)
Figure 2004326363
[0050]
A penalty evaluation function Jnew is designed for such constraints.
(Equation 8)
Figure 2004326363
Where CsiAnd CcjIndicates a scaling factor for the corresponding constraint, and is a positive value.
[0051]
An optimum value solution is obtained for the evaluation function designed in this manner. As a search technique for finding the optimum value solution, the above-described R-TABU search technique can be adopted. In the R-TABU search method, as shown in FIG. 3, different region groups H (X, h) having the same size h near an optimization variable X (indicated as position coordinates corresponding to speed).1) Is set. Between the current point P and the next target point Q, a vector (WP described later)i). The aircraft does not necessarily pass through the point Q, but passes near the point Q. A circle having a radius r around the point Q is defined as the search area C.
[0052]
The search area C is simply represented by a two-dimensional plane (or represented by a spherical cross section). The search area C is divided into a plurality of small circles C1j (n = 1,..., N) included in the circle C and selected at random. A set of a finite number of small circles C1j covers the circle C. The evaluation function J is obtained by calculation for all the small circles C1j. The small circle C1k having the minimum value (or the maximum value) among the finite number of evaluation values is selected. The small circle C1k is divided into a finite number of small circles C2n. A set of a finite number of small circles C2j covers the circle C1k.
[0053]
The evaluation function J is obtained by calculation for all the small circles C1k. The small circle C2s having the minimum value among the finite number of evaluation values is selected. The radius of the small circle C1n is 1 / h of the radius of the small circle C. The radius of the small circle C2n is 1 / h of the radius of the small circle C1n. Similarly, the radius of the small circle C “tn” is(T -1 ) NIs 1 / h. By an appropriate number of depth update searches, an optimization variable X (corresponding to the position of a point) having the largest evaluation value (the function J is the minimum or maximum) in the area H is obtained by trial and error at the depth number t. Can be As described above, the neighboring area section [a, b] (in this case, [0, r],..., [Rt -1, Rt], The next optimal passing point Q ′ is determined by the R-TABU method in which the geometrical series is reduced. The next optimal passing point Q 'satisfies all of the above-described constraints.
[0054]
Such narrowing of the search section is expressed as follows.
(Equation 9)
Figure 2004326363
[0055]
Under such mathematical rules, the algorithm of the R-TABU search method is constituted by the following steps.
R-TABU-S1:
An appropriate initial solution X, step reduction ratio L, number of steps ns, and number of counts nc are determined.
R-TABU-S2:
A neighborhood region group H (X, h) of the initial solution X is determined. : An integer for counting is represented by i, j, i = 1, j = 0.
R-TABU-S3:
Nearby area Hi(X, hi), Randomly answer YiIs generated.
[0056]
R-TABU-S4:
Trial solution YiIs better than the initial solution X, then its YiIs replaced by the initial solution X.
R-TABU-S5:
Substitution of j = j + 1 is executed. If j <nc, the next step proceeds to R-TABU-S3. If j <nc, substitution of i = i + 1 is executed and j = 0. Is set, and the next step proceeds to R-TABU-S6.
[0057]
R-TABU-S6:
If i <= ns, the next step shifts to R-TABU-S3. If not i <= ns, the next step shifts to R-TABU-S7.
R-TABU-S7:
If the end determination is yes, X is extracted as the optimal solution. If the end determination is no, the step moves to R-TABU-S2.
[0058]
FIG. 4 shows an optimal flight path when two adjacent designated points are given. (J-1) designated passing point Pj -1And the j-th designated passing point PjIs initially set in the motion path setting unit 13 of the optimal solution search unit 11 by the pilot together with the passing time, the aircraft moves to the (j-1) th designated passing point Pj -1And the j-th designated passing point PjIt is impossible to fly along a straight line (dashed-dotted line) that connects with, except in special cases. (J-1) designated passing point Pj -1The aircraft heading for is based on the current position, the (j-1) th designated passing point Pj -1Pass through the (j-1) -th neighbor 21 of.
[0059]
The aircraft passing through the first (j-1) neighborhood 21 is based on the optimization point of the first (j-1) neighborhood 21 and the j-th designated passage point PjPass through the j-th neighborhood 22 of. The optimization passage point is obtained by the optimization solution search unit 11 through an optimization calculation. (J-1) -th optimized pass point P 'j -1Is found in the (j-1) -th neighborhood 21 and the j-th optimization pass point P 'jIs found in the j-th neighborhood 22 and the optimal flight path 23 is represented by a smooth solid line. The flight path 24 shown by the two-dot chain line of other optimization candidates is inferior to the optimum flight path 23 in terms of the degree of optimization (it is determined by the evaluation simulator 7).
[0060]
(II) Offline search method
Optimal control that derives an optimal solution as uniquely as possible as a whole with respect to a multipoint passing path in which two or more multipoints are indicated is called off-line control. In the off-line control, an optimal solution for all routes is obtained, and the aircraft flies along the optimal solution route. In the state space search problem, the state space S, the initial state s0{S, target state determination function P: s → {True, False}, basic operation Oi(Si) = Si + 1Is defined. As a concept related to WP, a “WP pointer” and a “tip WP” are defined as follows.
[0061]
WP pointer:
In the state space search problem, it is determined how a certain WP moves from the previous WP. Specifically, the relative position and relative time between one WP and the next WP are specified by a vector. Such a vector is called a WP pointer. By adding the WP pointer from the initial state to another state, the position of the WP is sequentially specified. As shown in FIG. 5, the i-th WP is represented by a vector WPPi, and the (i-1) -th WPi -1I-th WP fromiIs represented by WPPi.
WPPi= WPi-WPi -1
[0062]
Tip WP:
The most advanced WP of the WP series that does not include the terminal WP (the WP immediately before the destination WP) is called a leading WP and is called a WPP.ffIs represented by
[0063]
Definition of sets and operations:
WPffFor, sets and operations are defined as follows:
State S: state s is the WP at the tipffThe neighborhood area of. S is the set.
・ Initial state s0∈S: Position at the start of guidance (WP0)
-Target state determination P: → {True, False}: The search objective is to satisfy all the constraint conditions by optimization, and the search is executed for all of the expanded neighboring areas s. True if a solution is found that satisfies all constraints, False otherwise.
・ Basic operation Oi(Si) = Si + 1: Appropriate WP pointer is WPPnewIs represented by Tip WP is WPff← WPff+ WPPnewWill be updated as follows. WPP updated in this wayffIs the neighborhood space si + 1Is set to
[0064]
State set S:
The neighborhood region s, which is a state, matches a certain finite space. The neighborhood area s considered now is WP which is the WP at the tip.ffIs a region in the vicinity of. WPffIs the WP that is the previous WPff -1WP pointer WPPffCan be expressed as follows.
WPff= WPff -1+ WPPff
[0065]
Where WPff -1Is fixed, the range of the neighborhood area s is WPff -1Can be determined only by the range in which Therefore, the initial state WP0When the WP pointers are sequentially added from, the range in which the WP pointer can point can be determined, so that all the neighboring areas s can be determined. The range that the WP pointer can point can be determined by the kinetic performance of the aircraft (eg, turning radius, thrust, airframe structure, presence of an in-flight infant). When an infant is present in the aircraft, the upper limit of acceleration is kept low.
[0066]
Expandable judgment:
The states s are sequentially generated by a chain of basic operations. Thus, when the state s is expanded by the basic operation, the appropriate WP pointer WPPnew(WPP in FIG. 5i) Is used. Actually, the two WPs that specify the flight path are continuously connected by a spline function. When deploying WP, WPffThe next WP on the path between theffWPP so thatnewIs determined. The state in which the state s, which is a region near the WP at the tip, is expandable is defined as follows.
[0067]
· S can be deployed @ WPff← WPff+ WPPnewNew neighborhood space s set asi + 1And WP0~ WPffWP that satisfies all flight restrictionsffIs included (the termination condition does not need to be satisfied).
[0068]
Discretization of continuous space:
S, which is a neighborhood of WP formed as a continuous space, cannot be effectively counted because “the solution candidates are discrete and are prerequisites for the state space search problem”. Here, a plurality of area groups H (WP, h) having different sizes h are set in the neighborhood area s of one specified WP so that the TABU search technique is extended to the R-TABU search technique. It is effective to randomly generate WPs in each area, and to represent each area with the WP. Each area Hj(WP, hj) Representative WP is WPHjAnd the neighborhood s is WPHjCan be effectively counted if there is a finite number of WPs.
[0069]
WP pointer optimization:
All states s are a sequence of WP pointers WPPi(I = 1,..., Ff). The target state discrimination and the WP expansion possible discrimination are optimizations for satisfying each discriminating constraint on s defined by discretizing a continuous space by randomly generating a WP. It can be defined as a problem.
The target state determination and the deployable determination are performed by a series of randomly generated WP pointers WPP.i(I = 1,..., Ff) and time t toward the terminal statefAre variables of the optimization problem, and are converted into an optimization problem for the purpose of satisfying the constraints of each determination. The R-TABU method can be applied to solve the optimization problem thus converted.
[0070]
Set evaluation function:
As an evaluation (value) function, f ′ for expansion determination and target state determinations(N) and f for target discriminationf(N) are designed and set in a function setting portion (not shown) of the evaluation simulator 7. Both take in the constraints by the penalty function method. Evaluation function for expansion determination and selection of expansion nodes (referred to as expansion determination evaluation function) f 'sThe design method (n) is expressed as follows.
f 's(N) = g (n) + h ′ (n) + Qs(N)
[0071]
Here, h ′ (n) is a heuristic function, and is set by the heuristic function generation unit 14 corresponding to the four-dimensional motion data 4. The expandable discriminant evaluation function is set in the evaluation simulator 7 and introduced into the optimum solution search unit 11 to be set in the optimum solution search unit 11. The heuristic function is generated by the optimization unit 9 as an evaluation function part corresponding to the four-dimensional motion data 4 output by the flight path generation unit 2 and is introduced into the optimal solution search unit 11, but is set in the evaluation simulator 7. There is no necessity.
[0072]
The state indicated by the current node n (corresponding to ff in FIG. 5) is s. State s is WP which is the WP at the tipffIs shown in the vicinity. Where WPffTime element tffAre not included in the optimization target and are specified in advance (the current problem is that the specified time tfThe problem of minimizing fuel consumption to reach). g (n) is a cost (e.g., fuel consumption) from the initial node to the node n. g (n) is configured as follows.
(Equation 10)
Figure 2004326363
[0073]
In the flight simulation for the determination of the deployment possibility and the evaluation of the deployment node, in order to reduce the calculation cost, tffIntegration has been performed up to. The node (nff) And the cost of the flight between the destination points is expected. Such a predictive cost function is called a heuristic function as described above, and the introduction of a heuristic function h '(n) is essential. The heuristic function h '(n) is essentially introduced as a function for evaluating "how close to the target state" is. The heuristic function h '(n) can be specifically designed as follows.
[0074]
(Equation 11)
Figure 2004326363
[0075]
Where Θwe, ΨweIndicates the difference between the path angle and the azimuth angle of the target flight path immediately before the end (the unit is Degree), and C indicatesΘw, CΨwIndicates the scaling factor. C, the first term of the heuristic function h '(n)t(Tf-Tff) Is a main part of the estimated cost required from the leading end point of the evaluation target WP at the current time based on the clock of the clock included in the optimal solution search unit 11 to the target point.
[0076]
Next, the evaluation value Q of the constraint condition of the penalty function methods(N) is shown. Qs(N) is a function to which constraints are added, and WP0~ WPffIs included. Evaluation value Qs(N) is designed as follows.
[0077]
(Equation 12)
Figure 2004326363
[0078]
Next, an evaluation function for target determination (target determination evaluation function) ffThe design method of (n) is shown. Target discriminant evaluation function ff(N) is represented by the following equation.
ff(N) = g (n) + h (n) + Qf(N)
Here, g (n) + h (n) is represented by the following equation.
(Equation 13)
Figure 2004326363
[0079]
Target discriminant evaluation function ffEvaluation value Q of constraint condition (n)f(N) takes all constraints into account and gives ff(N) is a value represented by the following equation.
[Equation 14]
Figure 2004326363
[0080]
Target point WPf, The neighborhood area is not set in principle. As the target point, a four-dimensional guidance stop point at the landing airport (a stop point of fully automatic navigation) or a four-dimensional junction point of the orbit satellite is exemplified, and the area or volume of the nearby area is substantially zero. Target discriminant evaluation function ffn is integrated over time until the scheduled arrival time. Target discriminant evaluation function ffn describes the final evaluation value. A target point (not limited to the final target point actually specified in the end, but includes a strictly defined waypoint. For example: an intermediate landing point included in the middle of the route) specified as a point one point before The node expandable discriminant function of the path describing up to the target node satisfies all the constraint conditions, and can reliably reach the vicinity of the passing point immediately before the target point.
[0081]
Solution of optimal value problem by state space search (algorithm A*):
Step S1-A*:
Tip condition WPffIs the initial state WP0Is set as
WPff← WP0
Integer i is set to i = 0 and WPffIs WP, as shown in FIG.0Is set as the way point 12. The control parameter search range and various parameters of the R-TABU search method (or the improved R-TABU search method) are set.
Step S2-A*:
WP that is the i-th WPiRegarding the basic operation OiIs executed. The update of i ← i + 1 is executed.
[0082]
Step S3-A*
WPP that is the i-th WP pointeriRegarding the WPPi← WPPnewIs updated.
Step S4-A*
WP pointer WPPi, The range (search range) s that can be pointediIs set in spherical coordinates.
[0083]
Step S5-A*
WP pointer sequence WPPj(J = 1,..., I) spherical coordinate component and terminal time tfIs represented by an optimization variable X to form an optimization problem, and the R-TABU method is applied as an optimization method. As the evaluation function, A*Algorithm evaluation function:
f 's(N) = g (n) + h ′ (n) + Qs(N)
Is applied. At the same time, the control parameters are included in the optimization variable X and optimization is performed. A heuristic function h '(n) is generated by the heuristic function generation unit 14, and the expandable discriminant evaluation function f' partially including the heuristic function h '(n).s(N) is described in the optimal solution search unit 11.
[0084]
Step S6-A*:
The optimization calculation is executed by the optimal solution search unit 11. If the constraint is not satisfied, the step proceeds to step S1-A*The process proceeds to step S7-A if the constraint is satisfied.*Move to
Step S7-A*:
Further, an optimization calculation is performed. The best solution is obtained from the solutions obtained when the optimization calculation is continued to some extent (A*This corresponds to selecting an expansion node by an algorithm. ).
[0085]
Step S8-A*:
Step S7-A*Is treated as the initial solution, and the evaluation function described above:
ff(N) = g (n) + h (n) + Qf(N)
Is optimized (target state determination). Expandable determination evaluation function f ′ of equation (15)s(N) is obtained by optimization and h ′nIs obtained, and {g (n) + h (n)} of Expression (20) is known from Expression (17), and the target state determination evaluation function f of Expression (19) is obtained.f(N) is required.
[0086]
Step S9-A*:
If a solution that satisfies the constraint is not obtained within the specified number of trials (or time), the state is estimated to be the target state, and is output as a solution. Otherwise, step S2-A*Move to
[0087]
Target state determination evaluation function ffIf a proper value is found as the value by the minimum value search of (n), the proper value is output from the optimal solution search unit 11 to the way point generation unit 12, and the next WP pointer corresponding to the optimized proper value is output. WPPi + 1Is generated by the way point generation unit 12. The new WP pointer WPPi + 1, The flight path of the next section is calculated, the command is given to the aircraft, and the optimal solution search in the next cycle is repeated by the optimal solution search unit 11. By the algorithm of the iterative loop for searching for the optimal solution, WPffAre optimized, and finally, the target state determination evaluation function ffAccording to (n), the entire flight path to the final target point of the aircraft is optimized and determined.
[0088]
The optimization of the off-line control flight described above is determined at the stage of preparation for takeoff of the aircraft, the optimized flight path is determined in one way, and the possibility of real-time control is not particularly considered.
(3) Online search method
If the calculation speed of the computer is fast enough, it is obvious that the optimum flight path between the current point and the target point can be calculated in real time. When there are airflow fluctuations and other unpredictable factors, online flight control, which is real-time control using a computer whose calculation speed is not fast enough, is important.
[0089]
In the optimization calculation applied to online flight control, the following two items are important.
A feasible solution must be generated within a certain time:
Several parameters that affect the convergence of the optimization calculation are well tuned to achieve the desired performance.
・ Ensuring safety:
If the next guidance rule cannot be generated within a certain period of time, a guidance control rule update program including danger avoidance is set so that the flight is continued without updating the guidance control rule. Further, the time limit allowed for the optimization calculation is determined to include the margin so that the guidance rule can be generated within a certain time when the actual device is mounted.
[0090]
Initial settings:
WP that is the current (current time) WP0Is set as an initial state as shown in FIG. Current flight position P0For the initial state WP0Is in the direction of flying. Generated WP0Is in the future flight path.
[0091]
Target state determination and deployment determination:
WP0The basic operation is performed once, and the waypoint generation unit 121Is generated. WP1The basic operation is performed once, and the waypoint generation unit 122Is generated. WP1And WP2Are set simultaneously by the way point generation unit 12. WP2Is set as the starting point of the offline search. Offline search is WP2Is subjected to the closed-loop optimization search shown in FIG.2, The node development determination and the target state determination are sequentially performed. The heuristic function is WP2To destination WPfEstimate costs up to. Both discriminations are performed on the solution of the aforementioned optimization problem.
[0092]
Ensuring safety:
For the development of the next WP, evaluation values up to the next WP are used. WP of current search target2Is ensured to be deployable, and a flight path is secured when a node cannot be deployed within the time specified in the current deployment attempt. WP2Nodal expansion that can be performed is ensured, and the target state determination is started after all the nodal expansion determinations are completed. An on-line control method described below is a flight method in which it is possible to secure in real time a flight route that is safe in a short section that is near to the current time and that is at least optimal in the short section.
[0093]
Initial state move:
Update cycle trefWithin WP2Is secured and the search for the optimization is performed up to the target point in the optimum solution search unit 11, and if the target determination is False, the aircraft is WP1Move up to. Such a transfer can be performed safely and optimally. The WP1But new WP0Is set as WP1To move to the WP in the middle of the generated route1The target path is switched on.
[0094]
Evaluation function design for online flight control:
WP of current location is WP0Is set to WP0Is represented by n. Nodes obtained by executing the basic operation twice on node n once are n in order from the near side.1, N2Is represented by n1, N2Are included in the state s corresponding to1, WP2Is represented by Evaluation function f ′ for optimization calculation of expansion determination and expansion node selections(N, n1) Is designed as follows.
f 's(N, n1) = C (n, n2) + H '(n2) + Qs(N, n2)
Where Qs(N, n2) Is a function to which the constraints of the penalty function method are added, and WP0~ WP2Is included.
[0095]
In such an evaluation function, evaluation values up to the next node are used to develop the next node. This allows the current node n2Is expanded so that when a node cannot be expanded within the time specified in the next node expansion trial, WP2The next nodal expansion is possible immediately before reaching.
[0096]
Proposition that is a target state discriminant function:
"For the purpose of satisfying all constraints by optimization, a search is performed for all of the expanded neighboring regions s, and if a solution that satisfies all constraints is found, True, and a solution that satisfies all constraints is determined. False if not found. "
For, the same optimization algorithm as described above can be used. In this case, the evaluation function is designed by the following equation.
ff(N, n1) = C (n, n1) + H (n2) + Qf(N)
Where Qf(N) is a function to which the constraints of the penalty function method are added, and WP0~ WPNnew(Including termination conditions) (WPNnewIs the WP of the target point. ).
[0097]
Real-time algorithm RTA for online flight control according to the present invention*Is expressed as follows.
Step S1-RTA*:
The initial state is WP0Is represented by The control parameter search range and various parameters of the R-TABU search method (or the improved R-TABU search method) are set.
Step S2-RTA*:
WP0To trefThe position where it went straight at the current speed for only seconds is newly WP0Is set as WP before new setting03t from (point Q in FIG. 6)refOnly at the current speed (P2) Is WPsafeIs represented by WPsafeIs a WP for ensuring safety.
[0098]
Step S3-RTA*:
WP0Basic operation O0Is executed, and the obtained WP is WP1Is represented by
Step S4-RTA*:
WPP, the first WP pointer1Regarding the WPP1← WPPnewIs updated.
Step S5-RTA*:
WPP which is a WP pointer1, The range (search range) s that can be pointed1Is set in spherical coordinates.
[0099]
Step S6-RTA*:
WP1Basic operation O1Is executed, and the obtained WP is WP2Is represented by
Step S7-RTA*:
WPP, the second WP pointer2Regarding the WPP2← WPPnewIs updated.
Step S8-RTA*:
WPP that is the WP pointer2, The range (search range) s that can be pointed2Is set in spherical coordinates.
[0100]
Step S9-RTA*:
WP pointer sequence WPP1And WPP2Of each spherical coordinate component and the end time tfIs an optimization variable X to form an optimization problem, and the improved R-TABU method is applied. RTA can be used as an evaluation function*Algorithm expandable discriminant evaluation function:
f 's(N, n1) = C (n, n2) + H '(n2) + Qs(N, n2)
Is applied. At the same time, the control parameters are included in the optimization variable X and optimization is performed.
[0101]
Step S9-RTA*:
An optimization calculation is performed. WPP1(Example: trefIf no solution that satisfies the constraint condition is found, the step proceeds to step S11-RTA.*The process proceeds to step S10-RTA if the constraint condition is satisfied.*(Corresponding to WP deployment possibility determination).
Step S10-RTA*:
trefUntil / 2 seconds, further optimization calculations continue and a better solution is sought. tref/ 2 seconds, the step is step S12-RTA*(A*This is equivalent to selecting an expansion node by an algorithm).
[0102]
Step S11-RTA*:
Evaluation function f 's(N, n1), The possibility of satisfying the constraint condition is further searched. trefIf the constraint is satisfied within seconds, the step proceeds to step S12-RTA.*If not satisfied, the step proceeds to step S14-RTA.*Move to
Step S12-RTA*:
The currently obtained solution is treated as the initial solution, and the objective state discriminant evaluation function described above:
ff(N, n1) = C (n, n2) + H (n2) + Qf(N)
Is optimized (target state determination).
[0103]
Step S13-RTA*:
trefIf a solution that satisfies the constraints is obtained within seconds, it is estimated that the state is the target state, and it is output as a solution. Otherwise, WP0← WP1, WPsafe← WP2Is executed, and the step is Step S3-RTA*Move to (WP1This is equivalent to selecting a flight route toward. )
[0104]
Step S14-RTA*:
WPsafeIf does not exist, the search fails and the process ends. WPsafeIf exists, WP0← WPsafe, WPsafe= 0 is executed, and the step is Step S3-RTA*Move to (WPsafeThis is equivalent to selecting a flight route toward. )
[0105]
Thus, the WP (= WP2Perform an optimal search for the flight path up to). The next WP (= WP1On the way to (2), an even more optimal solution is searched and found. Flight path WP1WP cannot find a solution that satisfies the constraints on1, The search fails. If the search fails, it is necessary to change the target point (change the landing airport).
[0106]
WP1Find the optimal solution that satisfies the constraints before reaching2Is WP1Is reset to WP3Is a new WP2Reset to RTA*Is executed as a next cycle search, and the WPPffIs a new WP2Until the RTA is newly reconfigured,*The algorithm is repeated and the aircraftffThe optimization search is executed in real time until the end point is reached.
[0107]
If another aircraft exists on the near-future flight path, or a thundercloud occurs on the near-future flight path, or the target arrival time is suddenly changed, the passing point will be changed. For the changed way point, sequential optimization calculation (node expansion in units of two passing points and optimization of all paths) are executed.
[0108]
Other forms of implementation:
The optimal solution search method is not limited to the TABU search method described above. As other search methods, a genetic evolution method, an annealing method, and a local research method are well known. Any of these methods can be assigned A*Algorithm or RTA*The algorithms are effectively combined and applied. In a genetic algorithm, the optimization variables are changed either mutationally or genetically. Genetic algorithms are well known as an optimization technique that derives multiple solutions with a low possibility of falling into a local solution.
[0109]
Usage example:
The four-dimensional self-propelled vehicle according to the present invention is particularly useful for a vehicle in which pilot control is difficult or where the pilot is absent. Optimal control of satellites that are required to change their orbits freely instead of orbiting satellites is almost impossible for some people. Optimization of cosmic rays that are accessible to other satellites, disaster detection satellites that need to change the orbital height, and inter-satellite ferry are effective in that minimization of fuel consumption is particularly required. Optimization of ships avoiding the storm zone is effective in that minimization of fuel consumption is particularly required.
[0110]
The trajectory solution, which is the inverse solution of the equation of motion and whose time has been eliminated, corresponds one-to-one to the evaluation function described by the physical parameters and the position coordinates. Therefore, the optimal solution of the four-dimensional navigation can be converted into an optimization problem of the inverse solution of the equation of motion. The transformation is possible by physical universal rules. It is important that the TABU method be adopted as an optimization algorithm. The genetic algorithm, annealing method, and local research method are effectively used in place of the TABU method. However, the combination of the genetic algorithm, annealing method, and local research method with the TABU method has a remarkable effect. is there.
[0111]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION The four-dimensional automatic navigation body, the four-dimensional navigation apparatus, and the four-dimensional control method of a navigation body by this invention can implement | achieve a real-time four-dimensional navigation. Furthermore, the optimum solution can be found flexibly, and the navigation body can be guided smoothly. It is possible to automate the entire voyage including taking off and landing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system block diagram showing an embodiment of an optimization system for four-dimensional navigation according to the present invention.
FIG. 2 is a table showing constraint conditions.
FIG. 3 is a graph showing a TABU method.
FIG. 4 is a graph showing an algorithm for searching for an optimal flight route.
FIG. 5 is a graph showing an algorithm of another search for an optimal flight route.
FIG. 6 is a graph showing an algorithm of still another search for an optimum flight route.
[Explanation of symbols]
101 ... navigation body
102 ... Computer
103 ... Route
1. 4D navigation unit
2. Flight path generation unit
5 Command generation unit
6. Command
9 Search unit
11 ... Appropriate solution search unit
12 ... way point generation unit
14 Heuristic function generation unit
41 ... Feedback gain
WP0… First way point
WP1… Second way point
WPsafe… Target point
WPf… Final goal
WPi -1… First way point
WPi… Second way point
WPff… The third way point
s1: Optimization pass point

Claims (23)

流体中を航行する航行本体と、
前記航行本体の航行を自動化し前記航行本体に搭載されるコンピュータとを構成し、
前記コンピュータは、
前記航行本体の航路を4次元的に定める4次元航法ユニットと、
探索ユニットとを形成し、
前記4次元航法ユニットは、
前記航行本体の現在の位置と目標点の間に指定される途中ウエイポイントとに基づいて航路を生成する航路生成ユニットと、
前記航路に対応するコマンドを逆ダイナミックスに従って導出するコマンド生成ユニットとを構成し、
前記探索ユニットは、
前記途中ウエイポイントを生成するウエイポイント生成ユニットと、
前記コマンドに対応する評価関数の評価関数値をより適正化する適正解を計算により求める適正解探索ユニットとを構成し、
前記探索ユニットは、制約条件のもとで前記評価関数値をより適正化する適正化通過点を前記目標点の近傍領域の中で前記適正解として発見し、
前記途中ウエイポイントは、
第1途中ウエイポイントと、
前記第1途中ウエイポイントより前記目標点の側に指定される第2途中ウエイポイントとを含み、
前記探索ユニットは、前記評価関数値をより適正化する適正化通過点を前記適正解として、前記航行本体が前記航行本体の現在位置から前記第1途中ポイントに移行する途中で前記第2途中ウエイポイントの近傍の中に発見する
4次元自動航行体。
A navigation body that navigates in the fluid;
Comprising a computer that automates navigation of the navigation body and is mounted on the navigation body,
The computer is
A four-dimensional navigation unit for four-dimensionally defining a route of the navigation body;
Form a search unit and
The four-dimensional navigation unit comprises:
A route generation unit that generates a route based on a current position of the navigation body and an intermediate way point specified between a target point;
A command generation unit that derives a command corresponding to the route according to inverse dynamics,
The search unit comprises:
A way point generating unit for generating the way point on the way,
A proper solution search unit for calculating a proper solution that further optimizes the evaluation function value of the evaluation function corresponding to the command,
The search unit finds an optimized pass point that further optimizes the evaluation function value under constraints as the appropriate solution in a region near the target point,
The waypoints on the way are:
The first waypoint,
A second way point designated closer to the target point than the first way point,
The search unit sets the optimized pass point that further optimizes the evaluation function value as the appropriate solution, and sets the second way as the navigation body moves from the current position of the navigation body to the first way point. A four-dimensional autonomous vehicle found in the vicinity of a point.
前記第2途中ウエイポイントは、前記第1途中ウエイポイントにより前記目標点の側で前記第1途中ポイントに隣り合って指定される
請求項1の4次元自動航行体。
The four-dimensional automatic navigation body according to claim 1, wherein the second intermediate way point is specified by the first intermediate way point adjacent to the first intermediate point on the side of the target point.
前記探索ユニットは、前記第1途中ウエイポイントに移行する途中で、前記第1途中ウエイポイントと前記第2途中ウエイポイントを更新して指定する
請求項1又は2の4次元自動航行体。
3. The four-dimensional automatic navigation body according to claim 1, wherein the search unit updates and specifies the first halfway point and the second halfway point during the transition to the first halfway point.
前記探索ユニットに探索許容時間trefが設定され、前記探索許容時間trefは、現在時刻t0から前記第1途中ウエイポイントに到着する予想時刻までの時間として設定され、現在時刻から(tref−t0)/kが経過するまでは前記第1ウエイポイントと前記第2ウエイポイントは更新されず、前記kは1より大きい数である
請求項3の4次元自動航行体。
An allowable search time tref is set in the search unit, and the allowable search time tref is set as a time from a current time t0 to an expected time of arrival at the first halfway point, and is calculated by (tref−t0) / 4. The four-dimensional automatic navigation body according to claim 3, wherein the first way point and the second way point are not updated until k has elapsed, and k is a number greater than one.
前記kは2である
請求項4の4次元自動航行体。
5. The four-dimensional automatic navigation body according to claim 4, wherein k is 2.
前記探索許容時間は、前記現在時刻から前記第1途中ウエイポイントまでの距離を現在時刻の速度で割った値である
請求項4の4次元自動航行体。
The four-dimensional automatic navigation body according to claim 4, wherein the search allowable time is a value obtained by dividing a distance from the current time to the first intermediate way point by a speed at the current time.
前記第1途中ウエイポイントと前記第2途中ウエイポイントの間の距離Dは、現在時刻の速度がスカラー速度vで表されれば、近似的に、D=v×trefで表される
請求項4の4次元自動航行体。
The distance D between the first way point and the second way point is approximately represented by D = v × tref if the speed at the current time is represented by a scalar speed v. 4 dimensional automatic navigation body.
前記評価関数は、
前記目標点と前記途中ウエイポイントとにそれぞれに対応する節点に展開する展開可能性を示す展開可能判別評価関数と、
目標点到達可能性を示す目標状態判別評価関数を含み、
前記展開可能判別評価関数は、次式:
f’(n,n)=c(n,n)+h’(n)+Q(n,n
で表され、前記目標状態判別評価関数は次式:
(n,n)=c(n,n)+h(n)+Q(n)
で表され、ここで、添字sは、前記目標点の前記近傍領域を示し、前記f’(n,n)の(n,n)は、初期点の前記航行本体が前記目標点の前記近傍領域に到達した到達点に対応する節点nの評価値であることを示し、c(n)は初期点から節点nまでの第1評価値部分を示し、h’(n)は前記節点nから目標点までの航路に対応する第2評価値部分を示し、Q(n)は前記初期点から前記節点nまでの制約条件に対応する第3評価値部分を示し、f(n)は初期点から目標点までの評価値を示し、c(n,n)はnからnへのコストを示し、
前記適正解は前記目標状態判別評価関数の適正化により導出される
請求項7の4次元自動航行体。
The evaluation function is:
An expandability determination evaluation function indicating the expandability to expand to nodes corresponding to the target point and the waypoint respectively,
Including a target state determination evaluation function indicating the target point reachability,
The expandable determination evaluation function is represented by the following equation:
f ′ s (n, n 1 ) = c (n, n 2 ) + h ′ (n 2 ) + Q s (n, n 2 )
The target state determination evaluation function is represented by the following equation:
f f (n, n 1 ) = c (n, n 2 ) + h (n 2 ) + Q f (n)
In expressed, where the subscript s indicates the area near the target point, the f 's (n, n 1 ) of the (n, n 1), the sail body the target point of the initial point Indicates the evaluation value of the node n corresponding to the arrival point that has reached the neighborhood area, c (n) indicates the first evaluation value portion from the initial point to the node n, and h ′ (n) indicates the A second evaluation value part corresponding to the route from the node n to the target point is shown, Q s (n) is a third evaluation value part corresponding to the constraint condition from the initial point to the node n, and ff ( n) indicates the evaluation value from the initial point to the target point, c (n, n 2 ) indicates the cost from n to n 2 ,
8. The four-dimensional automatic navigation body according to claim 7, wherein the proper solution is derived by optimizing the target state determination evaluation function.
前記航行本体は、航空機、ヘリコプター、宇宙往還機、衛星、船舶、潜水艇を要素とする集合から選択される1要素である
請求項8の4次元自動航行体。
The four-dimensional automatic navigation body according to claim 8, wherein the navigation body is one element selected from a set including an aircraft, a helicopter, a spacecraft, a satellite, a ship, and a submarine.
前記1要素は流体抵抗を受けて横滑りする
請求項9の4次元自動航行体。
The four-dimensional automatic navigation body according to claim 9, wherein the one element slides by receiving a fluid resistance.
前記探索ユニットは、数学的探索手法としてTABU探索法を採用する
請求項1〜10の4次元自動航行体。
11. The four-dimensional automatic navigation body according to claim 1, wherein the search unit employs a TABU search method as a mathematical search method.
前記TABU探索法は、前記近傍をより小さい小領域に分割しながら前記小領域の中に最適解を発見する
請求項11の4次元自動航行体。
12. The four-dimensional navigation system according to claim 11, wherein the TABU search method finds an optimal solution in the small area while dividing the neighborhood into smaller small areas.
航行本体の航行を自動化し前記航行本体に搭載されるコンピュータを構成し、
前記コンピュータは、
前記航行本体の航路を4次元的に定める4次元航法ユニットと、
探索ユニットとを形成し、
前記4次元航法ユニットは、
前記航行本体の現在の位置と目標点の間に指定される途中ウエイポイントとに基づいて航路を生成する航路生成ユニットと、
前記航路に対応するコマンドを逆ダイナミックスに従って導出するコマンド生成ユニットとを構成し、
前記探索ユニットは、
前記途中ウエイポイントを生成するウエイポイント生成ユニットと、
前記コマンドに対応する評価関数の評価関数値をより適正化する適正解を計算により求める適正解探索ユニットとを構成し、
前記探索ユニットは、制約条件のもとで前記評価関数値をより適正化する適正化通過点を前記目標点の近傍領域の中で前記適正解として発見し、
前記途中ウエイポイントは、
第1途中ウエイポイントと、
前記第1途中ウエイポイントより前記目標点の側に指定される第2途中ウエイポイントとを含み、
前記探索ユニットは、前記評価関数値をより適正化する適正化通過点を前記適正解として、前記航行本体が前記航行本体の現在位置から前記第1途中ポイントに移行する途中で前記第2途中ウエイポイントの近傍の中に発見する
4次元航法装置。
Automated navigation of the navigation body to configure a computer mounted on the navigation body,
The computer is
A four-dimensional navigation unit for four-dimensionally defining a route of the navigation body;
Form a search unit and
The four-dimensional navigation unit comprises:
A route generation unit that generates a route based on a current position of the navigation body and an intermediate way point specified between a target point;
A command generation unit that derives a command corresponding to the route according to inverse dynamics,
The search unit comprises:
A way point generating unit for generating the way point on the way,
A proper solution search unit for calculating a proper solution that further optimizes the evaluation function value of the evaluation function corresponding to the command,
The search unit finds an optimized pass point that further optimizes the evaluation function value under constraints as the appropriate solution in a region near the target point,
The waypoints on the way are:
The first waypoint,
A second way point designated closer to the target point than the first way point,
The search unit sets the optimized pass point that further optimizes the evaluation function value as the appropriate solution, and sets the second way as the navigation body moves from the current position of the navigation body to the first way point. A four-dimensional navigation device to find in the vicinity of a point.
流体中の航行本体の航路を4次元的に定める4次元航法ユニットと、
探索ユニットとを構成し、
前記4次元航法ユニットは、
前記航行本体の現在の位置と目標点の手前の目標点の間に指定される途中ウエイポイントとに基づいて航路を生成する航路生成ユニットと、
前記航路に対応するコマンドを逆ダイナミックスに従って導出するコマンド生成ユニットとを形成し、
前記探索ユニットは、
前記途中ウエイポイントを生成するウエイポイント生成ユニットと、
前記コマンドに対応する評価関数の評価関数値をより適正化する適正解を計算により求める適正解探索ユニットとを形成し、
前記探索ユニットは、制約条件のもとで前記評価関数値をより適正化する適正化通過点を前記適正解として前記目標点の近傍領域の中で発見し、
前記近傍領域の中では前記適正解は零でない加速度により記述される
4次元航法の最適化システム。
A four-dimensional navigation unit for four-dimensionally determining a route of the navigation body in the fluid;
And a search unit,
The four-dimensional navigation unit comprises:
A route generation unit that generates a route based on a current position of the navigation body and an intermediate way point specified between a target point in front of the target point;
A command generation unit that derives a command corresponding to the route according to inverse dynamics,
The search unit comprises:
A way point generating unit for generating the way point on the way,
Forming a proper solution search unit for calculating a proper solution that further optimizes the evaluation function value of the evaluation function corresponding to the command,
The search unit finds an optimized pass point that further optimizes the evaluation function value under the constraint condition as the appropriate solution in a region near the target point,
The optimization system for four-dimensional navigation, wherein the proper solution is described by a non-zero acceleration in the neighborhood.
前記評価関数はfで表され、f=f(V)で表され、ここで、Vは3次元速度ベクトルであり、前記3次元速度ベクトルは3次元位置ベクトルで記述され、境界条件として前記目標点の到着時刻と前記目標点の位置座標が与えられ、前記速度ベクトルは逆ダイナミックスにより計算器により求められる
請求項14の4次元航法装置。
The evaluation function is represented by f, and f = f (V), where V is a three-dimensional velocity vector, the three-dimensional velocity vector is described by a three-dimensional position vector, and the target condition is defined as a boundary condition. 15. The four-dimensional navigation apparatus according to claim 14, wherein an arrival time of a point and a position coordinate of the target point are given, and the velocity vector is obtained by a calculator using inverse dynamics.
前記途中ウエイポイントは、
第1途中ウエイポイントと、
前記第1途中ウエイポイントより前記最終目標点の側に指定される第2途中ウエイポイントと、
前記第2途中ウエイポイントより前記最終目標点の側に指定される第3途中ウエイポイントとを含み、
前記探索ユニットは、前記評価関数値をより適正化する適正化通過点を前記適正解として、第1途中ウエイポイントの第1途中近傍と前記第2途中ウエイポイントの第2途中近傍と前記第3途中ウエイポイントの第3途中近傍の中にそれぞれに発見する
請求項14の4次元航法装置。
The waypoints on the way are:
The first waypoint,
A second waypoint designated from the first waypoint to the final target point;
A third waypoint designated from the second waypoint to the final target point,
The search unit defines a proper passing point that further optimizes the evaluation function value as the proper solution, and determines a first halfway point near a first halfway point, a second halfway point near the second halfway point, and the third halfway point. The four-dimensional navigation device according to claim 14, wherein the four-dimensional navigation device finds each of the way points in the third way vicinity.
前記評価関数は、
前記最終ウエイポイントと前記途中ウエイポイントとにそれぞれに対応する節点に展開する展開可能性を示す展開可能判別評価関数と、
目標点到達可能性を示す目標状態判別評価関数を含み、
前記展開可能判別評価関数は、次式:
f’(n)=g(n)+h’(n)+Q(n)
で表され、前記目標状態判別評価関数は次式:
(n)=g(n)+h(n)+Q(n)
で表され、ここで、添字sは、前記目標点の前記近傍領域を示し、前記f’(n)の(n)は、初期点の前記航行本体が前記目標点の前記近傍領域に到達した到達点に対応する節点nの評価値であることを示し、g(n)は初期点から節点nまでの第1評価値部分を示し、h’(n)は前記節点nから目標点までの航路に対応する第2評価値部分を示し、Q(n)は前記初期点から前記節点nまでの制約条件に対応する第3評価値部分を示し、f(n)は初期点から目標点までの評価値を示し、
前記適正解は前記目標状態判別評価関数の適正化により導出される
請求項16の4次元航法装置。
The evaluation function is:
An expandability determination evaluation function indicating the expandability that expands to nodes corresponding to the final waypoint and the waypoint, respectively,
Including a target state determination evaluation function indicating the target point reachability,
The expandable determination evaluation function is represented by the following equation:
f ′ s (n) = g (n) + h ′ (n) + Q s (n)
The target state determination evaluation function is represented by the following equation:
f f (n) = g (n) + h (n) + Q f (n)
Where the subscript s indicates the neighborhood of the target point, and (n) of f ′ s (n) indicates that the navigation body of the initial point reaches the neighborhood of the target point. G (n) indicates the first evaluation value part from the initial point to the node n, and h ′ (n) indicates the evaluation value from the node n to the target point. Indicates a second evaluation value part corresponding to the route of Q, Q s (n) indicates a third evaluation value part corresponding to the constraint condition from the initial point to the node n, and f f (n) indicates a value from the initial point. Indicates the evaluation value up to the target point,
17. The four-dimensional navigation device according to claim 16, wherein the proper solution is derived by optimizing the target state determination evaluation function.
前記適正解はオフラインで発見される
請求項17の4次元航法装置。
The four-dimensional navigation device according to claim 17, wherein the proper solution is found off-line.
前記探索ユニットは、ヒューリスティック関数生成ユニットを更に構成し、
前記航路は前記ヒューリスティック関数生成ユニットに入力され、
前記h’(n)は、前記ヒューリスティック関数生成ユニットにより生成される
請求項17の4次元航法装置。
The search unit further comprises a heuristic function generation unit,
The route is input to the heuristic function generation unit,
18. The four-dimensional navigation device according to claim 17, wherein h '(n) is generated by the heuristic function generation unit.
前記適正解に対応する航路はフィードバックゲインとして前記探索ユニットから出力され、前記フィードバックゲインは前記コマンド生成ユニットに入力される
請求項14〜19から選択される1請求項の4次元航法装置。
20. The four-dimensional navigation device according to claim 1, wherein a route corresponding to the proper solution is output from the search unit as a feedback gain, and the feedback gain is input to the command generation unit.
前記探索ユニットは、数学的探索手法としてTABU探索法を採用する
請求項14〜20から選択される1請求項の4次元航法装置。
21. The four-dimensional navigation apparatus according to claim 14, wherein the search unit adopts a TABU search method as a mathematical search method.
前記TABU探索法は、前記近傍をより小さい小領域に分割しながら前記小領域の中に最適解を発見する
請求項21の4次元航法装置。
22. The four-dimensional navigation device according to claim 21, wherein the TABU search method finds an optimum solution in the small area while dividing the neighborhood into smaller small areas.
2点の時刻と位置とを境界条件として、前記2点の間の複数点のそれぞれの近傍から選択される第1近傍位置を通過する航行本体の前記2点間の第1航行経路を逆ダイナミックス計算機により計算するステップと、
前記第1航行経路に対応する前記航行本体の運動に関する評価関数の第1評価関数値を関数値計算機により計算するステップと、
前記2点の時刻と位置とを境界条件として、前記近傍から選択される第2近傍位置を通過する航行本体の前記2点間の第2航行経路を前記逆ダイナミックス計算機により計算するステップと、
前記第2航行経路に対応する前記航行本体の運動に関する前記評価関数の第2評価関数値を前記関数値計算機により計算するステップと、
前記第1評価関数値と前記第2評価関数値との大小関係を比較計算機により計算するステップと、
前記第1評価関数値と前記第2評価関数値のうち値がより適正である評価関数値に対応する航行経路で前記航行本体の運動を制御するステップ
を構成する航行体の4次元制御方法。
Using a time and a position of two points as boundary conditions, a first navigation route between the two points of the navigation body passing through a first neighborhood position selected from each neighborhood of a plurality of points between the two points is inversely dynamic. Computing by a computer;
Calculating, by a function value calculator, a first evaluation function value of an evaluation function relating to the motion of the navigation body corresponding to the first navigation route;
Calculating, by the inverse dynamics calculator, a second navigation route between the two points of the navigation body passing through a second neighborhood position selected from the neighborhoods, using the time and the position of the two points as boundary conditions;
Calculating, by the function value calculator, a second evaluation function value of the evaluation function relating to the motion of the navigation body corresponding to the second navigation route;
Calculating a magnitude relationship between the first evaluation function value and the second evaluation function value by a comparison computer;
A four-dimensional navigation method for a navigation body, comprising the step of controlling the movement of the navigation body on a navigation route corresponding to an evaluation function value whose value is more appropriate among the first evaluation function value and the second evaluation function value.
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