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JP2002308190A - Optimizing system for four-dimensional motion route and its optimizing method - Google Patents

Optimizing system for four-dimensional motion route and its optimizing method

Info

Publication number
JP2002308190A
JP2002308190A JP2001110658A JP2001110658A JP2002308190A JP 2002308190 A JP2002308190 A JP 2002308190A JP 2001110658 A JP2001110658 A JP 2001110658A JP 2001110658 A JP2001110658 A JP 2001110658A JP 2002308190 A JP2002308190 A JP 2002308190A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
dimensional
solution
optimal solution
navigation
optimizing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2001110658A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaharu Tanaka
雅晴 田中
Masanobu Mizoguchi
正信 溝口
Toshiaki Tange
利明 丹下
Shinji Suzuki
真二 鈴木
Satoshi Ueda
聡史 植田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2001110658A priority Critical patent/JP2002308190A/en
Publication of JP2002308190A publication Critical patent/JP2002308190A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To establish an art instantaneously deducing a four-dimensional solution of an optimal flying route. SOLUTION: This optimizing system is constituted of a four-dimensional navigation unit 1 and an optimal solution search unit 11. The four-dimensional navigation unit 1 deduces physical evaluation functions Ff and Ft with four-dimensional initial setting coordinates X0j and three-dimensional initial setting speed V0j set to variables according to inverse dynamics. The optimal solution search unit 11 is found by searching optimal solutions of the evaluation functions Ff and Ft. A single solution can be obtained from numerous solutions by the combination between the calculation of the inverse dynamics and an optimizing calculation. Through various optimizing methods for the optimizing calculation are known, an appropriate optimization solution can be adopted based on a property of emergency at that time in points of convergence speed and a single solution. In a control such as an aircraft control with fewer variables, a solution to be described later is the most effective. This method can instantaneously deduce the four-dimensional solution of the optimal flying rout of the minimum fuel and the shortest flying time and automate the flying control in emergency in particular.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、4次元航法の最適
化システム、及び、その最適化方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a system for optimizing four-dimensional navigation and a method for optimizing the system.

【0002】[0002]

【従来の技術】2点間の運動経路は、空間的に無数にあ
る。更に、空間的に定まった運動経路は、時間的に無数
にある。このように無数にある運動経路の中から、残存
燃料量、運動・移動時間に基づいて、1つの4次元運動
経路が採択される。パイロットによる運動経路の採択
は、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、最適飛行経路解が
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。
2. Description of the Related Art The motion path between two points is innumerable in space. Furthermore, there are innumerable spatially defined movement paths in time. One four-dimensional motion path is selected from the innumerable motion paths based on the remaining fuel amount and the motion / movement time. The choice of the motion path by the pilot is not the optimal solution. In an emergency situation such as a sudden change in the weather or a fuel shortage due to fuel disposal or the like, it is required that the optimal flight route solution be instantaneously derived, especially in an emergency, without depending on the pilot's empirical judgment. Optimality is a physical, economic property such as safety, minimum time, and minimum fuel consumption.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、最適
飛行経路の4次元的解を瞬時的に導出する技術を確立す
ることができる4次元航法の最適化システム、及び、そ
の最適化方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a four-dimensional navigation optimizing system and a method for optimizing a technique for instantaneously deriving a four-dimensional solution of an optimal flight path. Is to provide.

【0004】[0004]

【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。
Means for solving the problem are described as follows. The technical items appearing in the expression are appended with numbers, symbols, and the like in parentheses (). The numbers, symbols, and the like are 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 numerals, reference symbols, and the like assigned to the technical matters expressed in the drawings corresponding to the above. 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.

【0005】本発明による4次元航法の最適化システム
は、4次元航法ユニット(1)と、最適解探索ユニット
(11)とから構成されている。4次元航法ユニット
(1)は、4次元初期設定座標X0jと3次元初期設定
速度V0jとを変数とする物理的評価関数(Ff,F
t)を逆ダイナミックスに従って導出する。最適解探索
ユニット(11)は、評価関数(Ff,Ft)の最適解
を探索して求める。逆ダイナミックスの計算と最適化計
算との組合せにより、無数の解から単一解を得ることが
できる。最適化計算の最適化法としては、多様に知られ
ているが、収束速度、単一解性等の点でその時の緊急事
態の性質に基づいて、適正な最適解法が採択され得る。
航空機制御のような変数が少ない制御では、後述される
解法が最も有効である。
[0005] The optimization system for four-dimensional navigation according to the present invention comprises a four-dimensional navigation unit (1) and an optimum solution search unit (11). The four-dimensional navigation unit (1) performs a physical evaluation function (Ff, Ff) using the four-dimensional initialization coordinates X0j and the three-dimensional initialization speed V0j as variables.
t) is derived according to the inverse dynamics. The optimum solution search unit (11) searches for and obtains an optimum solution of the evaluation function (Ff, Ft). By combining the inverse dynamics calculation and the optimization calculation, a single solution can be obtained from an infinite number of solutions. Although various optimization methods are known for the optimization calculation, an appropriate optimal solution can be adopted based on the nature of the emergency at that time in terms of convergence speed, single solution, and the like.
For control with a small number of variables, such as aircraft control, the solution described below is most effective.

【0006】4次元的2点(又は多点)の3次元的位置
座標と時刻と、それらの2点のその時刻の速度とを充足
する無数の飛行経路は、3次元的位置座標と時刻と速度
とを変数とする評価関数の最適解(単一)を含んでい
る。飛行経路の時々刻々の変数値は、運動方程式に従っ
てその時事刻々の推力と姿勢角に対応する。最適解は、
4次元2点の推力と姿勢角を与える。このような解法に
より、最適飛行がリアルタイムに演算され、燃料廃棄の
ような燃料不足の緊急時に、パイロットの判断によらず
に、最も安全に航空機を誘導して無事に最寄りの空港に
着陸させることができる。
The countless flight paths satisfying the three-dimensional position coordinates and time of two four-dimensional points (or multiple points) and the speeds of the two points at the time are represented by three-dimensional position coordinates, time and Includes the optimal solution (single) of the evaluation function with speed as a variable. The momentary variable values of the flight path correspond to the momentary thrust and attitude angle according to the equation of motion. The optimal solution is
Gives four-dimensional two-point thrust and attitude angle. By such a solution, the optimal flight is calculated in real time, and in the event of a fuel shortage such as fuel disposal, to guide the aircraft safely and land safely at the nearest airport regardless of the pilot's judgment. Can be.

【0007】4次元初期設定座標X0jは、誘導開始時
刻の4次元座標(t01,x01、y01,z01)
と、誘導終了時刻の4次元座標(t02,x02、y0
2,z02)とを含むことができる。3次元初期設定速
度V0jは、誘導開始時刻の3次元速度(vx01,v
y01,vz01)と、誘導終了時刻の3次元速度(v
x02,vy02,vz02)とを含むことができる。
この場合、誘導終了時刻は、滑走路の始端の近傍の空中
に到達する時刻である。その時刻の速度は、その空港の
滑走路と航空機の機種によって定められている。
The four-dimensional initial setting coordinates X0j are four-dimensional coordinates (t01, x01, y01, z01) of the guidance start time.
And the four-dimensional coordinates (t02, x02, y0) of the guidance end time.
2, z02). The three-dimensional initial setting speed V0j is a three-dimensional speed (vx01, v
y01, vz01) and the three-dimensional speed (v
x02, vy02, vz02).
In this case, the guidance end time is a time when the vehicle reaches the air near the start end of the runway. The speed at that time is determined by the runway of the airport and the type of aircraft.

【0008】評価関数の最適解は、燃料消費最小解、及
び、消費燃料と飛行時間の重み付け和を最小化する最適
解であり、又は、飛行時間最小解及び消費燃料と飛行時
間の重み付け和を最小化する最適解である。これらの最
適解は、同時的に導出されることが好ましく、それら解
のうちのいずれを採択するかは、人為的であることが好
ましいことが多い。
[0008] The optimal solution of the evaluation function is an optimal solution that minimizes the minimum fuel consumption solution and the weighted sum of the fuel consumption and the flight time, or the minimum solution of the flight time and the weighted sum of the fuel consumption and the flight time. This is the optimal solution to be minimized. It is preferable that these optimal solutions are derived simultaneously, and it is often preferable to select which of the solutions is artificial.

【0009】最適解探索ユニット(11)は、解の探索
領域を段階的に変化させることにより最適解が含まれる
変数の範囲を段階的に狭くする。このような解法は、Ta
bu-Search法と称される公知解法である。このような純
粋に数学的である手法が物理的制御である航空機制御
(変数の数が少ない)に適用されることは、実用的に極
めて有意義である。
The optimum solution search unit (11) gradually narrows the range of variables including the optimum solution by changing the search area of the solution stepwise. Such a solution is called Ta
This is a known solution called the bu-Search method. It is practically very significant that such a purely mathematical method is applied to the physical control of aircraft control (the number of variables is small).

【0010】4次元航法ユニット(1)は、逆ダイナミ
ックス計算ユニット(2)とともに、コマンド生成ユニ
ット(5)を備えている。コマンド生成ユニット(5)
は、4次元初期設定座標X0jと3次元初期設定速度V
0jとをそれぞれに接続する運動経路上の3次元姿勢角
と推力とに既述の変数を変換し、3次元姿勢角と3次元
推力に対応する機械的要素の駆動信号を生成する。機械
的要素は、機体の姿勢を制御する操舵機器と、エンジン
の回転数を制御する燃料供給機器等である。着陸時点で
は、機体の姿勢が定められていることが特に重要であ
る。着陸時と誘導開始時の機体の姿勢は、機体に固定さ
れる座標系上で機体の3次元速度(速度ベクトル)と一
致している。滑走路固定座標系と機体固定座標系の間の
座標変換は、座標変換行列に従って計算される。
[0010] The four-dimensional navigation unit (1) includes a command generation unit (5) together with an inverse dynamics calculation unit (2). Command generation unit (5)
Is the four-dimensional initial coordinate X0j and the three-dimensional initial speed V
The above-mentioned variables are converted into a three-dimensional attitude angle and a thrust on a motion path connecting each of 0j and 0j to generate a drive signal of a mechanical element corresponding to the three-dimensional attitude angle and the three-dimensional thrust. The mechanical elements are a steering device for controlling the attitude of the fuselage, a fuel supply device for controlling the engine speed, and the like. At the time of landing, it is particularly important that the attitude of the aircraft is determined. The attitude of the aircraft at the time of landing and at the start of guidance matches the three-dimensional velocity (velocity vector) of the aircraft on a coordinate system fixed to the aircraft. The coordinate transformation between the runway fixed coordinate system and the aircraft fixed coordinate system is calculated according to a coordinate transformation matrix.

【0011】本発明による4次元航法の最適化方法は、
4次元的2点と前記4次元的2点の3次元速度を初期条
件として設定すること、初期条件に基づいて逆ダイナミ
ックスにより、4次元的2点と3次元速度を変数とする
時々刻々の3次元姿勢角と3次元推力とを計算するこ
と、3次元姿勢角と3次元推力を変数とする評価関数を
定めること、評価関数の最適解を求めることとから構成
されている。最適解を求める場合に、既述の収束解法が
適用される。
The method for optimizing four-dimensional navigation according to the present invention is as follows.
Setting four-dimensional two points and the three-dimensional velocity of the four-dimensional two points as initial conditions; and performing inverse dynamics on the basis of the initial conditions, and using the four-dimensional two points and the three-dimensional velocity as variables, from moment to moment. It consists of calculating a three-dimensional attitude angle and a three-dimensional thrust, determining an evaluation function using the three-dimensional attitude angle and the three-dimensional thrust as variables, and obtaining an optimal solution of the evaluation function. When finding the optimal solution, the above-described convergence solution is applied.

【0012】[0012]

【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次元航法ユ
ニットと最適化ユニットとから構成されている。その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2を備えている。逆ダイナミッ
クス計算ユニット2は、4次元運動経路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次元的運動デ
ータ(時刻つき加速度等)4を逆算して求める。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、大気圏内外飛行物体であ
る宇宙船のような飛翔物体)を位置づける運動制御用
(操縦用、操舵用)コマンド6を生成する。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。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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Corresponding to the drawings, an embodiment of a four-dimensional navigation optimization system according to the present invention comprises a four-dimensional navigation unit and an optimization unit. Part 4
The three-dimensional navigation unit 1 includes an inverse dynamics calculation unit 2 as shown in FIG. When the four-dimensional motion path 3 is initially given, the inverse dynamics calculation unit 2 calculates the four-dimensional motion data (acceleration with time, etc.) 4 based on the motion equation. The four-dimensional navigation unit 1 further includes a command generation unit 5. The four-dimensional motion data 4 output by the inverse dynamics calculation unit 2 is input to a command generation unit 5. The command generation unit 5 positions a moving object (for example, a flying object such as an aircraft that is a flying object in the atmosphere and a spacecraft that is a flying object outside the atmosphere) on the four-dimensional movement path 3 based on the four-dimensional movement data 4. A motion control (steering, steering) command 6 is generated. The four-dimensional navigation unit 1 further includes an evaluation simulator 7. The exercise control command 6 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.

【0013】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、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、3次元目標
速度ベクトルの算出に用いるフィードバックゲインと4
次元座標ベクトルと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を導出する。最
適解探索ユニット11は、4次元運動経路3の4次元初
期設定座標(t0j,x0j,y0j,z0j)12と
3次元速度を4次元運動経路3に対して初期的に与える
初期位置設定入力線を有している。最適解探索ユニット
11は、更に、初期評価値13を最適解探索ユニット1
1に対して初期的に与える初期評価値設定入力線を有し
ている。jは、0〜nである。
The optimizing unit 9 has an optimum solution searching unit 11. The evaluation value 8 is the optimization unit 9
Is input to The optimum solution search unit 11 calculates the feedback gain used for calculating the three-dimensional target speed vector and
An optimal solution for minimizing the evaluation value 8, which is the value of the evaluation function using the dimensional coordinate vector as a variable of the optimization problem, is derived. The optimal solution search unit 11 is an initial position setting input line that initially gives the four-dimensional initial setting coordinates (t0j, x0j, y0j, z0j) 12 and the three-dimensional velocity of the four-dimensional motion path 3 to the four-dimensional motion path 3. have. The optimal solution search unit 11 further calculates the initial evaluation value 13
1 is provided with an initial evaluation value setting input line which is initially given to 1. j is 0 to n.

【0014】4次元運動経路3には、必須通過点である
4次元設定座標(t,x,y,z)12が初期的に入力
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(t0
n,x0n,y00n,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、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,z0
j)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,y0
j,z0j)で代表的に表される。
In the four-dimensional movement path 3, four-dimensional set coordinates (t, x, y, z) 12, which are essential passing points, are initially inputted. As the four-dimensional set coordinates (t, x, y, z) 12, 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 are described. Control end set coordinates (t0 to end)
n, x0n, y00n, z0n) (e.g., runway start coordinates corresponding to a moving object on the verge of landing) at least initially, and further in the middle of a finite point on a motion path connecting both coordinates. Set coordinates (t0j, x0j, y0j, z0
j) is initially included. These coordinates are hereinafter referred to as four-dimensional initial coordinates (way points) (t0j, x0j, y0).
j, z0j).

【0015】各ユニットは、下記数学的機能を有してい
る。 逆ダイナミックス計算ユニット2:逆ダイナミックス計
算ユニット2は、4次元初期設定座標(t0j,x0
j,y0j,z0j)12(又は4次元運動経路3)に
基づいてスプライン補間を実行して初期設定運動経路を
生成する運動経路生成ユニット14を包含している。ダ
イナミックスは、その力学系に物理的・幾何学的初期条
件(4次元位置と外力)が与えられれば、一義的に4次
元運動経路を決定する。4次元逆ダイナミックスは、運
動経路が初期的に与えられた場合に、その力学系の物理
的(力学的)初期条件(時々刻々の初期条件を含む)を
一義的に与えることができない。3次元運動位置に対応
して時刻が指定される4次元逆ダイナミックスは、4次
元運動経路が初期的に与えられ必要程度の補間が行われ
ているならば、その力学系の物理的初期条件(時々刻々
の初期条件を含む)を必要精度範囲で一義的に与えるこ
とができるが、2点の4次元位置に基づいて、時々刻々
の物理的初期条件は一意には求められず、その解は無数
に存在する。無数の解は、4次元座標が変数として数学
的に表現される。無数にある解のうち最適解は、1つ又
は複数有限個の極点に限定され得る。最適解として、物
理的最適解と幾何学的最適解がある。物理的最適解とし
て例示される燃料消費最小解は、航空機の制御として重
要である。幾何学的最適解として例示される最小時間解
は、航空機の制御として重要である。最適解の導出は、
後述される最適解探索ユニット11により探索される。
Each unit has the following mathematical functions. Inverse dynamics calculation unit 2: Inverse dynamics calculation unit 2 has four-dimensional initialization coordinates (t0j, x0
(j, y0j, z0j) 12 (or the four-dimensional motion path 3), and includes a motion path generation unit 14 that performs spline interpolation to generate an initial motion path. The dynamics uniquely determines a four-dimensional motion path when physical and geometric initial conditions (four-dimensional position and external force) are given to the dynamic system. In the case where the motion path is initially given, the four-dimensional inverse dynamics cannot uniquely give the physical (mechanical) initial condition (including the momentary initial condition) of the dynamic system. The four-dimensional inverse dynamics in which the time is specified according to the three-dimensional motion position is the physical initial condition of the dynamical system if the four-dimensional motion path is initially given and the necessary degree of interpolation is performed. (Including the initial conditions every moment) can be uniquely given within the required accuracy range, but the physical initial conditions every moment cannot be uniquely determined based on the four-dimensional positions of the two points. Exist innumerably. Innumerable solutions are expressed mathematically using four-dimensional coordinates as variables. Of the myriad solutions, the optimal solution may be limited to one or more finite poles. The optimal solution includes a physical optimal solution and a geometric optimal solution. The minimum fuel consumption solution, exemplified as a physical optimal solution, is important for aircraft control. The minimum time solution, exemplified as a geometric optimal solution, is important for aircraft control. Derivation of the optimal solution is
The search is performed by the optimum solution search unit 11 described later.

【0016】逆ダイナミックス計算ユニット2は、与え
られた4次元目標運動経路である4次元初期設定座標
(t0j,x0j,y0j,z0j)12と、与えられ
た3次元初期設定速度ベクトル(vx0j,vy0j,
vz0j)13’とを初期条件とし、目標位置の3次元
速度を解とする4次元運動経路に対応する時々刻々の物
理条件を計算する。逆ダイナミックス計算ユニット2
は、4次元初期設定座標(t0j,x0j,y0j,z
0j)12と3次元初期設定速度ベクトル(vx0j,
vy0j,vz0j)13’とを既知数として、座標変
換行列関係式(機械固定座標系と地球固定座標系の間の
変換行列)と運動方程式とに従って、運動物体の3次元
位置の時々刻々の3次元目標姿勢角(4次元座標を変数
とする3次元幾何学的ベクトル)と運動物体の3次元位
置の時々刻々の3次元目標推力(4次元座標を変数とす
る3次元加速度に対応)を目標値として計算する。目標
運動経路は、トラッキングエラーがPD制御で補償され
得る。
The inverse dynamics calculation unit 2 includes a four-dimensional initial coordinate (t0j, x0j, y0j, z0j) 12, which is a given four-dimensional target motion path, and a given three-dimensional initial velocity vector (vx0j, vy0j,
vz0j) 13 ′ and the physical condition for each moment corresponding to the four-dimensional motion path, which is the solution of the three-dimensional velocity at the target position, is calculated. Inverse dynamics calculation unit 2
Are the four-dimensional initial coordinates (t0j, x0j, y0j, z
0j) 12 and the three-dimensional initial velocity vector (vx0j,
vy0j, vz0j) 13 'as a known number, and according to the coordinate transformation matrix relational expression (transformation matrix between the machine fixed coordinate system and the earth fixed coordinate system) and the equation of motion, the three-dimensional position of the moving object at every moment is calculated. Targets three-dimensional target attitude angles (three-dimensional geometric vectors with four-dimensional coordinates as variables) and instantaneous three-dimensional target thrusts (corresponding to three-dimensional acceleration with four-dimensional coordinates as variables) of moving objects. Calculate as a value. In the target motion path, the tracking error can be compensated by the PD control.

【0017】コマンド生成ユニット5:3次元目標姿勢
角と3次元目標推力とは、運動物体の機械的要素に対応
する。機械的要素は、エンジン出力、操舵制御力(翼を
駆動する油圧と油圧量)のような操作力を生成する機器
である。このような操作力を実現する機器の駆動を制御
する電気信号(パイロットの操舵力に対応する電気信号
を含む)は、既述の通り、運動制御用(操舵)コマンド
6と言われる。
Command generation unit 5: The three-dimensional target attitude angle and the three-dimensional target thrust correspond to mechanical elements of a moving object. The mechanical element is a device that generates an operating force such as an engine output and a steering control force (a hydraulic pressure and a hydraulic pressure amount for driving the wing). An electric signal (including an electric signal corresponding to the steering force of the pilot) for controlling the driving of the device that realizes such an operation force is referred to as a motion control (steering) command 6 as described above.

【0018】評価シミュレータ7:制御コマンドの生成
・出力の時刻と運動物体の現実の有効運動制御時刻との
間には、時間遅れが必ず発生する。評価シミュレータ7
は、このような時間遅れを取り込んだ時間座標系で、運
動制御用コマンド6に対応する3次元目標速度ベクトル
を数値積分して、運動物体の位置、速度、迎角、横滑り
角を計算により求める。3次元目標速度ベクトルは、3
次元目標加速度ベクトルの時々刻々の微小積分により求
められる。航空機のような運動物体は、それの時々刻々
の位置、速度、迎角、横滑り角が定まれば、その軌道は
一意的に決定される。その積分の好適な手法として、Ru
nge-Kutta-Gill法が知られている。運動物体の位置、速
度、迎角、横滑り角(以下、評価対象値変数といわれ
る)は、下記基準に従って、評価される。
Evaluation simulator 7: A time delay always occurs between the time of generation and output of a control command and the actual effective movement control time of a moving object. Evaluation simulator 7
In a time coordinate system incorporating such a time delay, a three-dimensional target speed vector corresponding to the motion control command 6 is numerically integrated, and the position, speed, angle of attack, and sideslip angle of the moving object are obtained by calculation. . The three-dimensional target velocity vector is 3
It is obtained by minute minute integration of the dimensional target acceleration vector every moment. The trajectory of a moving object such as an aircraft is uniquely determined if its instantaneous position, speed, angle of attack, and sideslip angle are determined. As a preferred method of the integration, Ru
The nge-Kutta-Gill method is known. The position, speed, angle of attack, and sideslip angle (hereinafter referred to as evaluation target value variables) of the moving object are evaluated according to the following criteria.

【0019】・迎角と横滑り角は、制約範囲を越えな
い。 ・荷重倍数が制限を越えない。 ・その位置は、地面より下方にある位置にはない。 ・ランディング時に着陸が可能である姿勢である。 ・トラッキングエラーが許容範囲内にある。
The angles of attack and sideslip do not exceed the limits.・ The load multiple does not exceed the limit.・ The position is not below the ground.・ Possible to land when landing.・ Tracking error is within the allowable range.

【0020】最適解探索ユニット11:好適な最適化探
索法として、Tabu-Searchが知られている。知られてい
るこの手法は、特には、R-Tabu法として知られている最
適化問題探索法は、初期点(出発点)を中心点として、
等比級数的に幅が狭くなる探索領域群を設定し、各領域
でランダム探索を行って、全ての領域の探索点に対応す
る解のうちの最良解を次の初期解(出発解)とすること
により、大域的最適解を求める純粋に数学的である解法
である。
Optimal solution search unit 11: Tabu-Search is known as a suitable optimization search method. This known method, especially the optimization problem search method known as the R-Tabu method, uses the initial point (starting point) as the center point,
A search area group whose width is reduced in geometric progression is set, a random search is performed in each area, and the best solution among the solutions corresponding to the search points in all areas is determined as the next initial solution (starting solution). Is a purely mathematical solution that seeks a global optimal solution.

【0021】評価対象値を最小化する本問題では、評価
シミュレータ7は、3次元初期設定速度ベクトル(vx
0j,vy0j,vz0j)13’の算出のために用い
るフィードバックゲインの値と既述の4次元初期設定座
標(way points)(t0j,x0j,y0j,z0j)
12とを変数とする関数である。その評価関数は、次の
ように表現される: F=F(X0j、V0j) X0j=t0j,x0j,y0j,z0j V0j=vx0j,vy0j,vz0j 評価関数として、燃料消費量関数Ffと飛行時間関数F
tとが重要である。 Ff=Ff(X0j、V0j) Ft=Ft(X0j、V0j)
In this problem of minimizing the value to be evaluated, the evaluation simulator 7 uses a three-dimensional initial setting velocity vector (vx
0j, vy0j, vz0j) The value of the feedback gain used for calculating 13 'and the previously described four-dimensional initial coordinates (way points) (t0j, x0j, y0j, z0j)
12 is a function having 12 as a variable. The evaluation function is expressed as follows: F = F (X0j, V0j) X0j = t0j, x0j, y0j, z0j V0j = vx0j, vy0j, vz0j As the evaluation functions, the fuel consumption function Ff and the flight time function F
t is important. Ff = Ff (X0j, V0j) Ft = Ft (X0j, V0j)

【0022】評価関数の最適解を求める解法であるTabu
-Search法は、安定した収束性を持つ数学的特性を有
し、特に扱う変数の数が少ない場合に、知られている他
の軌道最適化手法よりも解の収束性の点で優れているこ
とが知られている。
Tabu, a solution for finding the optimal solution of the evaluation function
The -Search method has mathematical properties with stable convergence, and is superior in terms of solution convergence to other known trajectory optimization methods, especially when the number of variables to be handled is small. It is known.

【0023】評価対象関数の変数(X0j、V0j)
は、運動方程式に基づいて、姿勢角と推力との変数に等
価的に変換される。姿勢角と推力とから、燃料消費量
と、運動経過時間とが変数により表現される。評価対象
値は、燃料消費量と運動経過時間である。評価対象値を
記述する評価関数は、姿勢角と推力の2変数で表され
る。姿勢角と推力は、既述の通り、速度ベクトルと4次
元座標とで表される。
Variables of the function to be evaluated (X0j, V0j)
Is equivalently converted into variables of the attitude angle and the thrust based on the equation of motion. From the attitude angle and the thrust, the fuel consumption and the exercise elapsed time are represented by variables. The evaluation target values are fuel consumption and exercise elapsed time. An evaluation function that describes an evaluation target value is represented by two variables: attitude angle and thrust. As described above, the attitude angle and the thrust are represented by the velocity vector and the four-dimensional coordinates.

【0024】R-Tabu法で設定されるパラメータは、等比
級数的に分割される分割領域の縮小値(最適解に収束さ
せるためのパラメータ)Lと、領域数rと、各領域で探
索を実行する探索回数Cである。R-Tabu法は、基本的に
ランダム探索法であり、探索領域を大きさが異なる多領
域に分割することによって盲目的な探索を改善している
点で優れている。これのアルゴリズムは、以下の通りで
ある。
The parameters set by the R-Tabu method include a reduced value (parameter for converging to an optimum solution) L of a divided region divided in geometric series, a number r of regions, and a search in each region. This is the number of searches C to be performed. The R-Tabu method is basically a random search method, and is excellent in that a blind search is improved by dividing a search region into multiple regions having different sizes. The algorithm for this is as follows.

【0025】ステップS1: k=1 ステップS2:初期点xk、初期温度T0、領域数r、
カウント数C、ステップ縮小値(比)Lから、領域の集
合Hが求められる。xの範囲が[a,b]で表される場
合、集合Hは、xkを中心点として、 H={h,h,・・・,h} h=b−a h=hi−1/L(i=2,3,・・・,r) として定義される。
Step S1: k = 1 Step S2: initial point xk, initial temperature T0, number of regions r,
From the count number C and the step reduction value (ratio) L, an area set H is obtained. Where a range of x is represented by [a, b], the set H is a center point xk, H = {h 1, h 2, ···, h r} h 1 = b-a h i = h i−1 / L (i = 2, 3,..., r).

【0026】ステップS3:領域hi(i=1,2,・
・・,r)ごとにカウント数Cまでランダム・ウオーク
探索を行う。具体的には、基点をx0とし、探索方向と
ステップ幅をhiの領域内でランダムに選び、カウント
数C内で評価関数を改善する変数yiを保存する。 ステップS4:全ての領域Hから評価関数が最大(又は
最小)になる変数yiを選び、ykにする。
Step S3: Region hi (i = 1, 2,...)
.., R), a random walk search is performed up to the count number C. Specifically, the base point is x0, the search direction and the step width are randomly selected in the region of hi, and the variable yi for improving the evaluation function within the count C is stored. Step S4: A variable yi that maximizes (or minimizes) the evaluation function is selected from all the regions H and is set as yk.

【0027】ステップS5: k=k+1 ステップS2に戻る。Step S5: k = k + 1 Return to step S2.

【0028】シミュレーションの実施例:空港周辺で飛
行中である航空機がその空港に緊急着陸する場合が以下
に考えられる。その航空機が所有する残存燃料が十分で
ありその航空機を最短時間で空港に着陸させる場合(ケ
ース1)、その残存燃料が少なく最短時間で着陸させる
場合(ケース2a)、その残存燃料が少なく最小燃料で
着陸させる場合(ケース2a)の3つのケースが検討さ
れる。それぞれのケースについて、飛行経路(既述の運
動経路)とコマンドが求められる。
Example of Simulation: The case where an aircraft flying around an airport makes an emergency landing at the airport is considered as follows. If the aircraft has sufficient remaining fuel and the aircraft will land at the airport in the shortest time (case 1), if the remaining fuel is small and the aircraft will land in the shortest time (case 2a), the remaining fuel is low and the minimum fuel In the case where the landing is performed (case 2a), three cases are considered. For each case, the flight path (the previously described movement path) and the command are determined.

【0029】姿勢角コマンドは、機体座標系の慣性座標
系に対するオイラー角である。ジェットエンジンは、実
際の推力コマンドに対して時間遅れを有する。飛行条件
は、次表で示される。
The attitude angle command is an Euler angle of the body coordinate system with respect to the inertial coordinate system. Jet engines have a time lag with respect to the actual thrust command. The flight conditions are shown in the following table.

【0030】 North East Down 初期位置(m) 2000 18000 1000 滑走路位置(m) 0 0 0 初期速度(m/s) 20 180 0 着陸速度(m/s) 167 0 1North East Down Initial position (m) 2000 18000 1000 Runway position (m) 0 0 0 Initial speed (m / s) 20 180 0 Landing speed (m / s) 167 0 1

【0031】残存燃料と最適化目標は、次表で示され
る。
The remaining fuel and optimization targets are shown in the following table.

【0032】ケース1の解釈:図2は、ケース1のオイ
ラー角の3要素の変動を実線と短破線と長破線とでそれ
ぞれに示している。図3は、ケース1の2つのエンジン
の推力の変動を実線と破線とでそれぞれに示している。
図8は、3つのケースについてそれぞれに、速度、燃料
消費量、3次元飛行経路を示している。ケース1では、
誘導開始直後に制限いっぱい(30度)のバンク角を取
り、機首をただちに滑走路方向に向けている。図3に示
されるように、80秒まで最大推力を取り、図8に示さ
れるように、一定な(滑らかな)加速度でできる限り速
度を上げて、着陸前に空気抵抗を利用して加速時と逆対
称に減速していると解釈される。図10に示されるよう
に、最短線に近い経路上を滑らかに移動し、大きなマヌ
ーバーは見られない。図9に示されるように、燃料消費
は多い。所要時間は、138秒である。
Interpretation of Case 1: FIG. 2 shows the variation of the three elements of the Euler angle of Case 1 by a solid line, a short broken line, and a long broken line, respectively. FIG. 3 shows changes in thrust of the two engines of Case 1 by solid lines and broken lines, respectively.
FIG. 8 shows the speed, fuel consumption, and three-dimensional flight path for each of the three cases. In case 1,
Immediately after the guidance starts, the bank angle is set to the full limit (30 degrees), and the nose is immediately turned to the runway direction. As shown in FIG. 3, the maximum thrust is obtained up to 80 seconds, and as shown in FIG. 8, the speed is increased as much as possible at a constant (smooth) acceleration. It is interpreted that it is decelerating in reverse symmetry. As shown in FIG. 10, the vehicle smoothly moves on a route close to the shortest line, and no large maneuver is seen. As shown in FIG. 9, the fuel consumption is high. The required time is 138 seconds.

【0033】ケース2aの解釈:図5と図9に示される
ように、燃料をうまく時間的に配分しているが、マヌー
バーが大きく燃料を使い切っていて、図8に示されるよ
うに、着陸時の目標速度(168m/s)を下回ってい
て、危険を伴う恐れがあることを否定できない。このよ
うな計算結果は、燃料残存量が少なく、最短時間で着陸
させるという厳しい要求を満たすために最適解探索ユニ
ット11がやむをえない判断をしていると解釈される。
所要時間は、148秒である。
Interpretation of case 2a: As shown in FIG. 5 and FIG. 9, the fuel is well distributed in time, but the maneuver is running out of fuel, and as shown in FIG. It cannot be denied that there is a risk of danger because the speed is below the target speed (168 m / s). Such a calculation result is interpreted that the optimal solution search unit 11 has made an unavoidable determination to satisfy the strict requirement of landing in a shortest time with a small amount of remaining fuel.
The required time is 148 seconds.

【0034】ケース2bの解釈:図6に示されるよう
に、誘導開始後に大きなバンクをせずに徐々に滑走路方
向に機首を向けていく。図7と図9に示されるように、
エンジンは220秒まで使用せず、最後の50秒ほどの
間で推力を発生させている。燃料を使い切らないので、
ケース2aより安全に着陸できるが、所要時間はケース
1とケース2aよりも2倍になっている。
Interpretation of case 2b: As shown in FIG. 6, after starting the guidance, the nose is gradually turned toward the runway without a large bank. As shown in FIGS. 7 and 9,
The engine was not used until 220 seconds, and thrust was generated during the last 50 seconds or so. Because we do n’t run out of fuel,
Although landing is safer than in case 2a, the required time is twice as long as in case 1 and case 2a.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明による4次元航法の最適化システ
ム、及び、その最適化方法は、逆ダイナミックスにより
得られる評価を最適化することにより、パイロットの判
断によらずに、航空機のリアルタイムな運動制御をより
安全化することができる。最適解導出解法として、Tabu
-Search法を採択すれば、最適解を漏れなくより高精度
にリアルタイムに求めることができる。
The optimization system and the optimization method of the four-dimensional navigation according to the present invention optimize the evaluation obtained by the inverse dynamics, thereby realizing the real-time operation of the aircraft regardless of the pilot's judgment. The exercise control can be made more secure. As an optimal solution derivation method, Tabu
If the -Search method is adopted, the optimum solution can be obtained in real time with higher accuracy without omission.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is a system block diagram showing an embodiment of a four-dimensional navigation optimization system according to the present invention.

【図2】図2は、リアルタイムの姿勢角を示すグラフで
ある。
FIG. 2 is a graph showing a real-time attitude angle.

【図3】図3は、リアルタイムの推力を示すグラフであ
る。
FIG. 3 is a graph showing real-time thrust.

【図4】図4は、リアルタイムの他のケースの姿勢角を
示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a posture angle of another case in real time.

【図5】図5は、リアルタイムの他のケースの推力を示
すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing thrust in another case in real time.

【図6】図6は、リアルタイムの更に他のケースの姿勢
角を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a posture angle of still another case in real time.

【図7】図7は、リアルタイムの更に他のケースの推力
を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the thrust of still another case in real time.

【図8】図8は、リアルタイムの3つのケースの速度を
示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing speed in three cases in real time.

【図9】図9は、リアルタイムの3つのケースの燃料消
費量を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing fuel consumption in three cases in real time.

【図10】図10は、3つのケースの3次元飛行経路を
示す斜軸投影図である。
FIG. 10 is an oblique projection showing three-dimensional flight paths in three cases.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…4次元航法ユニット 5…コマンド生成ユニット 11…最適解探索ユニット Ff,Ft…物理的評価関数 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Four-dimensional navigation unit 5 ... Command generation unit 11 ... Optimal solution search unit Ff, Ft ... Physical evaluation function

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 溝口 正信 愛知県名古屋市中村区岩塚町字高道1番地 三菱重工業株式会社産業機器事業部内 (72)発明者 丹下 利明 愛知県小牧市大字東田中1200番地 三菱重 工業株式会社名古屋誘導推進システム製作 所内 (72)発明者 鈴木 真二 東京都文京区小石川2−17−7−101 (72)発明者 植田 聡史 東京都武蔵野市御殿山1−15−12−202 Fターム(参考) 5H004 GA29 GB13 KC12  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Masanobu Mizoguchi 1 Ishizumi, Iwatsuka-cho, Nakamura-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture Inside the Industrial Equipment Division of Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Nagoya Guidance & Propulsion System Works, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (72) Inventor Shinji Suzuki 2-17-7-101 Koishikawa, Bunkyo-ku, Tokyo (72) Inventor Satoshi Ueda 1-15-12-202, Gotenyama, Musashino-shi, Tokyo F-term (reference) 5H004 GA29 GB13 KC12

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】4次元航法ユニットと、 最適解探索ユニットとを含み、 前記4次元航法ユニットは、4次元初期設定座標X0j
と3次元初期設定速度V0jとを変数とする物理的評価
関数を逆ダイナミックスに従って導出し、 前記最適解探索ユニットは、前記評価関数の最適解を探
索して求める4次元航法の最適化システム。
1. A four-dimensional navigation unit, and an optimal solution search unit, wherein the four-dimensional navigation unit has four-dimensional initial coordinates X0j.
And a three-dimensional initialization speed V0j as a variable to derive a physical evaluation function according to inverse dynamics, wherein the optimal solution search unit searches for an optimal solution of the evaluation function and obtains the optimal solution.
【請求項2】前記4次元初期設定座標X0jは、 誘導開始時刻の4次元座標(t01,x01、y01,
z01)と、 誘導終了時刻の4次元座標(t02,x02、y02,
z02)とを含み、 前記3次元初期設定速度V0jは、 前記誘導開始時刻の3次元速度(vx01,vy01,
vz01)と、 前記誘導終了時刻の3次元速度(vx02,vy02,
vz02)とを含む請求項1の4次元航法の最適化シス
テム。
2. The four-dimensional initial setting coordinates X0j are four-dimensional coordinates (t01, x01, y01, y01,
z01) and the four-dimensional coordinates (t02, x02, y02,
z02), and the three-dimensional initial setting speed V0j is a three-dimensional speed (vx01, vy01, vy01,
vz01), and the three-dimensional velocity (vx02, vy02,
vz02). The system for optimizing four-dimensional navigation according to claim 1, comprising:
【請求項3】前記誘導終了時刻は、滑走路の始端の近傍
の空中に到達する時刻である請求項2の4次元航法の最
適化システム。
3. The four-dimensional navigation optimization system according to claim 2, wherein the guidance end time is a time at which the vehicle arrives in the air near the start end of the runway.
【請求項4】前記評価関数の最適解は、燃料消費最小解
である請求項2又は3の4次元航法の最適化システム。
4. The four-dimensional navigation optimization system according to claim 2, wherein the optimal solution of the evaluation function is a minimum fuel consumption solution.
【請求項5】前記評価関数の最適解は、飛行時間最小解
である請求項2又は3の4次元航法の最適化システム。
5. The optimization system for four-dimensional navigation according to claim 2, wherein the optimal solution of the evaluation function is a minimum solution in time of flight.
【請求項6】前記評価関数の最適解は、燃料消費最小
解、飛行時間最小解、消費燃料と飛行時間の重み付け和
とが同時的に導出され、これらの解の内から現実の運動
経路が人為的に選択される請求項2又は3の4次元航法
の最適化システム。
6. An optimum solution of the evaluation function is derived from a minimum fuel consumption solution, a minimum flight time solution, and a weighted sum of fuel consumption and flight time, and an actual motion path is determined from these solutions. 4. The four-dimensional navigation optimization system according to claim 2, which is selected artificially.
【請求項7】前記最適解探索ユニットは、 探索領域を段階的に縮小させることによって最適解が含
まれる前記変数の範囲を導出する請求項1〜6から選択
される1請求項の4次元航法の最適化システム。
7. The four-dimensional navigation system according to claim 1, wherein the optimal solution search unit derives a range of the variable including the optimal solution by gradually reducing a search area. Optimization system.
【請求項8】前記4次元航法ユニットは、 コマンド生成ユニットを備え、 前記コマンド生成ユニットは、前記4次元初期設定座標
X0jと3次元初期設定速度V0jとをそれぞれに接続
する運動経路上の3次元姿勢角と推力とに前記変数を変
換し、3次元姿勢角と3次元推力に対応する機械的要素
の駆動信号を生成する請求項1〜7から選択される1請
求項の4次元航法の最適化システム。
8. The four-dimensional navigation unit includes a command generation unit, and the command generation unit connects the four-dimensional initial setting coordinate X0j and the three-dimensional initial setting velocity V0j to a three-dimensional movement path. 8. The four-dimensional navigation system according to claim 1, wherein the variables are converted into attitude angles and thrusts, and drive signals for mechanical elements corresponding to the three-dimensional attitude angles and the three-dimensional thrust are generated. System.
【請求項9】4次元的2点と前記4次元的2点の3次元
速度を初期条件として設定すること、 前記初期条件に基づいて逆ダイナミックスにより、前記
4次元的2点と前記3次元速度を変数とする時々刻々の
3次元姿勢角と3次元推力とを計算すること、 前記3次元姿勢角と前記3次元推力を変数とする評価関
数を定めること、 前記評価関数の最適解を求めることとを含む4次元航法
の最適化方法。
9. A method for setting two-dimensional four-points and a three-dimensional velocity of the four-dimensional two points as an initial condition, based on the initial conditions, by inverse dynamics, the four-dimensional two points and the three-dimensional Calculating the momentary three-dimensional attitude angle and three-dimensional thrust with speed as a variable; determining an evaluation function with the three-dimensional attitude angle and the three-dimensional thrust as variables; obtaining an optimal solution of the evaluation function And a method for optimizing four-dimensional navigation.
【請求項10】前記最適解を求めることは、 指数関数eのJが温度Tを分母とする関数であり前記
温度Tをダイナミックに段階的に変化させることにより
最適解が含まれる前記変数の範囲を段階的に狭くするこ
とを備える請求項9の4次元航法の最適化方法。
10. The method for determining the optimal solution is performed by: J of the exponential function e J is a function having the temperature T as a denominator, and dynamically changing the temperature T in a stepwise manner. The method for optimizing four-dimensional navigation according to claim 9, comprising narrowing a range stepwise.
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