基于遺傳算法的飛機控制函數優化策略

王家祺 王賽 河北農業大學

基于遺傳算法的飛機控制函數優化策略

王家祺 王賽 河北農業大學

飛機的飛行理論正在不斷地進步，利用現代控制理論對其進行優化是極為重要的。本文通過對飛機控制理論的分析，結合飛機的控制結構，采用遺傳算法對其進行優化，并對其發展進行了分析。

遺傳算法 飛機控制 函數優化

1 飛機控制理論的發展

飛機的飛行控制主要是穩定和控制飛機的角運動（偏航、俯仰與滾轉）以及飛機的重心運動（前進、升降與左右)。飛機飛行控制采取的是反饋控制原理。飛機是被控制對象，自動控制系統是控制器。飛機和自動控制系統按負反饋的原則組成閉環回路(飛行控制回路)，實現對飛機的穩定與控制。在這個閉環回路中被控制量主要有飛機的姿態角、飛行速度、高度和側向偏離等，控制量是氣動控制面的偏角和油門桿的位移。運用經典控制理論或現代控制理論可以分析和綜合飛行控制回路（見控制理論），從而設計出飛機飛行控制系統。為了確切地描述飛機的運動狀態，需要選定適當的坐標系，常用的坐標系是機體坐標系、速度坐標系和地球坐標系。飛行控制系統一般由測量飛機姿態及其他飛行參數用的敏感元件、形成控制信號或指令的計算機、變換和放大信號的電子線路以及驅動飛機舵面的執行機構等組成。

2 飛機的控制結構

飛機的主要靠操縱桿控制運行，操縱桿通常位于飛行員的手中，在大多數直升機上，直升機具有從頂部下降到駕駛艙的循環控制。這樣的控制被稱為循環控制，因為它循環地改變轉子葉片的槳距，可以讓將轉子盤傾斜到特定的方向，導致直升機在該方向上移動。如果飛行員向前推動操縱桿，則轉子盤向前傾斜，轉子在向前方向產生推力。如果飛行員將操縱桿推動到側面，則轉子盤傾斜到該側并在該方向產生推力，導致直升機向側面懸停。俯仰控制器位于飛行員座椅的左側，具有提前設定的摩擦控制措施，以防止意外地移動。俯仰控制改變所有主轉子葉片的俯仰角并且獨立于它們的位置。因此，如果進行俯仰控制輸入，所有葉片均勻變化，可以讓直升機的高度上升或下降。反扭矩踏板位于與固定翼飛機中的方向舵踏板相同的位置，并且具有類似的目的，即控制飛機的機頭方向。在給定方向上施加踏板改變尾部轉子葉片的槳距，增加或減小由尾部轉子產生的推力，并使機頭在所施加的踏板的方向上偏轉。踏板機械地改變尾輪的槳距，改變產生的推力。直升機轉子設計為在較小的RPM范圍內運行。油門控制發動機輸出的功率，發動機通過固定比率傳動裝置與轉子連接。油門的目的是保持足夠的發動機功率以將轉子RPM保持在允許限度內，以便轉子產生足夠的升力用于飛行。在單引擎直升機中，油門控制是安裝在操縱桿上的摩托車式扭轉手柄，而雙引擎直升機具有用于每個發動機的動力桿。斜盤控制主葉片的循環間距。斜盤沿著主軸上下移動，以改變兩個葉片的間距。這將導致直升機根據迎角向下或向上推動空氣。斜盤也可以改變其角度以向前或向后或向左或向右移動葉片角度，使直升機沿著這些方向移動。

3 遺傳算法在飛機控制中的應用

在遺傳算法中，針對飛機控制問題的優化解決方案，對每個候選解決方案都建立一組可以突變和改變的屬性（例如染色體或基因型），傳統上，解決方案以二進制表示為0和1的字符串，但是其他編碼也是可以的。演化通常從隨機生成的群體開始，是一個迭代過程，每個迭代中的群體稱為一代。在每一代群體中評估每個部分的適應度，適應度通常是解決優化問題中目標函數的值。更合適的個體從當前群體中隨機選擇，并且每個個體的基因組被修改以形成新一代。新一代的候選解決方案然后用于算法的下一次迭代。通常，當生成最大數量的代數或者為群體達到令人滿意的適合度時，該算法停止。典型的遺傳算法要求：飛機控制解決方案域的遺傳表示和一個適應度函數來評估解決方案域。每個候選解決方案的標準表示形式是一個位數組。使這些遺傳表示方便的主要特性是它們的部件由于其格式固定，因此容易進行計算，這有助于簡單的交叉操作。也可以使用可變長度表示，但在這種情況下，交叉實現更復雜。在遺傳規劃中探索樹狀表示，并在進化規劃中探索圖形表示，在基因表達編程中探索了線性染色體和樹的混合。一旦確定了遺傳表達和適應度函數，GA就會先進行初始化解，然后通過重復應用突變，交叉，反演和選擇算子來改進，最終得到最優化的飛機控制方案。

4 總結

遺傳算法的飛機控制理論也有一定的缺點，例如存儲容量較小，無法有效地一次性運輸大量的物資與傷員，對于一些更復雜的地形例如沼澤、堰塞湖等還是無能為力，安全性需要進一步加強等。

[1]張洪海,胡明華.多跑道著陸飛機協同調度多目標優化[J].西南交通大學學報.2009(03)

[2]張洪海,胡明華.多跑道降落飛機協同調度優化[J].交通運輸工程學報.2009(03)

[3]王維,李冉.多跑道內水平障礙物限制面邊界確定方法[J].中國民航大學學報.2008(01)

[4]孫宏,張翔,徐杰.應用模擬退火算法求解飛機調度問題[J].飛行力學.2006(04)