母集団を動的に分割統合可能な遺伝的アルゴリズムの開発とその応用による最適軌道生成

动态划分和整合群体的遗传算法的开发及其在生成最优轨迹中的应用

• 批准号: 13J07564
• 负责人: 宮本 信太郎
• 金额: $ 0.58万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J07564/
• 关键词: 宇宙輸送システム; 誘導; 遺伝的アルゴリズム

航空機のような運用を目指す再使用型の将来宇宙輸送システムでは, 予め想定した軌道の飛行だけでなく, 飛行環境や制約条件に応じて随時軌道変更を行い, 非常時には飛行中断し安全に帰還するなどの柔軟なミッション運用が求められる. 従って, どのような事態においても確実な自律航行を実現するには, 従来方法のように基準軌道だけに頼ること無く, また唯一の最適軌道のみならず複数の準最適な代替軌道をリアルタイム生成する必要がある. 本研究では, 代替軌道を含む最適軌道を生成する方法として, 新たな解の探索手法である動的分散遺伝的アルゴリズムDynDGA (Dynamically Distributed Genetic Algorithm)を提案した. その最適解探索のリアルタイム性を実現するためにFPGA (Field Programmable Gate Array)とよばれる集積回路上にアルゴリズムを構築することを試みた.DynDGAは, 各個体の特性を端的に表すような特徴量を定義し, その特徴量により個体間の類似性を識別することで, もともと一つだった母集団を適切な数のサブ母集団(島)に分類する. この島は, 必要であれば再分割や他の島との統合を繰り返す, 数値シミュレーションの結果, DynDGAにより母集団の島への分割統合がスムースに進み, 複数の良好な軌道を生成できることがわかった, また遺伝的アルゴリズムによる探索は, 従来の準定常的な近似解等では解として得ることが難しい, 急降下や急旋回を伴う軌道も解として得られることがわかった.DynDGAの前段階としてGAによる軌道生成のリアルタイム性の実現のために, FPGAを用いて処理を並列化し計算時間の大幅な短縮を実現するシステムを試作した. 同システムを有翼ロケット実験機およびカイトプレーンと呼ばれる小型飛行機に搭載し, 飛行実験を通してリアルタイム軌道生成の実証した. また, これらの飛行実験結果から, DynDGAは複数のFPGAを用いた並列計算によりリアルタイム計算が可能であることを証明した.

The future space transportation system of aircraft operation indicates that the future space transportation system of reuse type shall be designed to determine the flight characteristics of orbit, the flight environment conditions shall be controlled, the orbit shall be changed at any time, and the flight interruption and safety shall be restored in case of emergency. In order to realize the autonomous navigation, the method of calculating the optimal orbit is necessary to generate the quasi-optimal orbit. In this paper, we propose a new method for the generation of alternative orbits including optimal orbits, DynDGA (Dynamically Distributed Genetic Algorithm). The optimal solution is to explore the characteristics of a cluster and to construct a cluster on an integrated circuit.DynDGA is to define the characteristics of each individual and to identify the similarity between individuals. This island is necessary to divide the other islands and the integration of the islands, the numerical value of the solution results, DynDGA parent set of islands divided and integrated into the progress, the number of good orbit generation, the search for the quasi-steady approximation solution, etc. The first step of DynDGA and the second step of GA are used to parallel the calculation time. The same is true for small aircraft, which are equipped with wings, and flight control systems. DynDGA is a complex FPGA that can be used in parallel computing.

项目成果

Current Status of Experimental Winged Rocket Development : Ground Combustion Test and Flight Experiment

实验性有翼火箭研制现状：地面燃烧试验和飞行试验

• 发表时间: 2013
• 作者: Takaaki Matsumoto;Koichi Yonemoto;Kyoshiro Itakura;Hiroshi Yamasaki;Shintaro Miyamoto;Gaku Sasaki and Koyo Matsuzaki
• 通讯作者: Gaku Sasaki and Koyo Matsuzaki

The Design and Optimization in Space Systems

空间系统的设计与优化

• 发表时间: 2013
• 作者: Takaaki Matsumoto;Koichi Yonemoto;Gaku Sasaki;Kyoshiro Itakura;Shintaro Miyamoto and Hiroshi Yamasaki
• 通讯作者: Shintaro Miyamoto and Hiroshi Yamasaki

Dynamically Distributed Genetic Algorithm and Its Application to Diversely Selectable Trajectory Optimization of Winged Rocket

动态分布式遗传算法及其在有翼火箭多选弹道优化中的应用

• 发表时间: 2014
• 期刊: Transaction of Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan
• 作者: Shintaro Miyamoto;Takaaki Matsumoto and Koichi Yonemoto
• 通讯作者: Takaaki Matsumoto and Koichi Yonemoto

Development of a hardware-in-the-loop simulator and flight simulation of a subscale experimental winged rocket

• DOI: 10.1109/aim.2013.6584309
• 发表时间: 2013-07
• 期刊: 2013 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics
• 作者: H. Yamasaki;Takaaki Matsumoto;Kyoshiro Itakura;S. Miyamoto;K. Yonemoto

Dynamic Distributed Genetic Algorithm Using Hierarchical Clustering for Flight Trajectory Optimization of Winged Rocket

基于层次聚类的动态分布式遗传算法用于有翼火箭飞行轨迹优化

• 发表时间: 2013
• 作者: Shintaro Miyamoto;Takaaki Matsumoto and Koichi Yonemoto
• 通讯作者: Takaaki Matsumoto and Koichi Yonemoto