兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (7): 240651-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0651
收稿日期:
2024-07-30
上线日期:
2025-08-12
通讯作者:
基金资助:
ZHOU Jie, WANG Liangming*(), FU Jian, WANG Yanqin, GUO Shouyu
Received:
2024-07-30
Online:
2025-08-12
摘要:
为快速准确地解算出高旋尾控修正弹的修正指令,针对其能力预测问题,提出一种基于Hyperband算法-贝叶斯优化-长短期记忆网络(Hyperband algorithm-Bayesian optimization-Long Short-Term Memory network,HBBO-LSTM)的修正能力预测模型。建立高旋尾控修正弹的7自由度弹道模型,并使用龙格-库塔法进行数值仿真,生成大量样本数据;通过对数据集的分析,提出一种基于拉马努金近似公式的预处理方式,对原始数据集进行预处理,获得空间分布均匀的样本数据。构建HBBO-LSTM网络预测模型,通过训练得到模型的最佳结构参数。提出一种融合带重启机制的余弦退火衰减和指数衰减的学习率下降策略,保证训练过程的快速性和稳定性。将所述模型与长短期记忆网络模型、门控循环单元网络模型和反向传播网络模型在同一测试集下进行仿真实验,并与4自由度修正质点弹道方程数值积分法进行实验对比。研究结果表明,HBBO-LSTM网络模型的综合均方误差为0.17m2,综合平均绝对误差为0.33m,预测精度优于其他模型;且解算时间和预测精度均优于数值积分法,具有较高的可行性和参考价值。
中图分类号:
周杰, 王良明, 傅健, 王彦钦, 郭首邑. 基于Hyperband-贝叶斯优化-LSTM网络的高旋尾控修正弹修正能力研究[J]. 兵工学报, 2025, 46(7): 240651-.
ZHOU Jie, WANG Liangming, FU Jian, WANG Yanqin, GUO Shouyu. Research on the Correction Capability of High-spin and Tail-controlled Correction Projectile Based on HBBO-LSTM Network[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(7): 240651-.
特征名 | 最小值 | 最大值 | 步长 |
---|---|---|---|
射角/(°) | 45 | 51 | 1 |
起控时刻/s | 10 | 89 | 1 |
滚转角/(°) | 0 | 359.5 | 0.5 |
表1 弹丸输入特征取值范围
Table 1 Projectile input feature value range
特征名 | 最小值 | 最大值 | 步长 |
---|---|---|---|
射角/(°) | 45 | 51 | 1 |
起控时刻/s | 10 | 89 | 1 |
滚转角/(°) | 0 | 359.5 | 0.5 |
超参数名称 | 范围 | 步长 |
---|---|---|
高斯噪层的标准差 | [0,0.003] | 0.0002 |
LSTM层1神经元数量 | [100,2000] | 20 |
LSTM层1正则化系数 | [0,0.002] | 0.0002 |
Dropout层1丢弃率 | [0,0.5] | 0.1 |
LSTM层2神经元数量 | [100,1500] | 20 |
LSTM层2正则化系数 | [0,0.002] | 0.0002 |
Dropout层2丢弃率 | [0,0.5] | 0.1 |
初始全局学习率 | [0.0001,0.01] | 对数采样 |
批量大小 | [32,256] | 32 |
表2 超参数搜索空间
Table 2 Hyperparameter search space
超参数名称 | 范围 | 步长 |
---|---|---|
高斯噪层的标准差 | [0,0.003] | 0.0002 |
LSTM层1神经元数量 | [100,2000] | 20 |
LSTM层1正则化系数 | [0,0.002] | 0.0002 |
Dropout层1丢弃率 | [0,0.5] | 0.1 |
LSTM层2神经元数量 | [100,1500] | 20 |
LSTM层2正则化系数 | [0,0.002] | 0.0002 |
Dropout层2丢弃率 | [0,0.5] | 0.1 |
初始全局学习率 | [0.0001,0.01] | 对数采样 |
批量大小 | [32,256] | 32 |
层类型 | 层参数 | 层输出形状 |
---|---|---|
高斯噪声层 | 标准差0.0002 | (64,1,7) |
LSTM层1 | 神经元数量1500 | (64,1,1500) |
激活层1 | 激活函数Leaky ReLU | (64,1,1500) |
LSTM层2 | 神经元数量740 | (64,740) |
激活层2 | 激活函数Leaky ReLU | (64,740) |
全连接层 | 神经元数量2 | (64,2) |
表3 HBBO-LSTM模型参数
Table 3 HBBO-LSTM Model parameters
层类型 | 层参数 | 层输出形状 |
---|---|---|
高斯噪声层 | 标准差0.0002 | (64,1,7) |
LSTM层1 | 神经元数量1500 | (64,1,1500) |
激活层1 | 激活函数Leaky ReLU | (64,1,1500) |
LSTM层2 | 神经元数量740 | (64,740) |
激活层2 | 激活函数Leaky ReLU | (64,740) |
全连接层 | 神经元数量2 | (64,2) |
评估指标 | HBBO-LSTM | LSTM | GRU | BP |
---|---|---|---|---|
射程最大误差/m | 1.684 | 2.679 | 4.540 | 3.615 |
横偏最大误差/m | 1.911 | 2.683 | 4.730 | 5.194 |
MSE/m2 | 0.172 | 0.352 | 0.677 | 0.781 |
MAE/m | 0.328 | 0.465 | 0.634 | 0.682 |
MAPE/% | 0.356 | 0.356 | 0.644 | 0.710 |
表4 模型评估结果
Table 4 Model evaluation results
评估指标 | HBBO-LSTM | LSTM | GRU | BP |
---|---|---|---|---|
射程最大误差/m | 1.684 | 2.679 | 4.540 | 3.615 |
横偏最大误差/m | 1.911 | 2.683 | 4.730 | 5.194 |
MSE/m2 | 0.172 | 0.352 | 0.677 | 0.781 |
MAE/m | 0.328 | 0.465 | 0.634 | 0.682 |
MAPE/% | 0.356 | 0.356 | 0.644 | 0.710 |
预测点编号 | 数值积分法 | HBBO-LSTM | |||
---|---|---|---|---|---|
解算时间/s | MAE/m | 解算时间/s | MAE/m | ||
1 | 3.15 | 8.85 | 0.61 | 0.26 | |
2 | 5.48 | 13.49 | 0.77 | 0.29 | |
3 | 10.35 | 15.62 | 0.79 | 0.34 | |
4 | 2.25 | 6.16 | 0.76 | 0.30 | |
5 | 16.80 | 21.23 | 0.81 | 0.34 |
表5 解算时间与预测精度
Table 5 Computation time and prediction accuracy
预测点编号 | 数值积分法 | HBBO-LSTM | |||
---|---|---|---|---|---|
解算时间/s | MAE/m | 解算时间/s | MAE/m | ||
1 | 3.15 | 8.85 | 0.61 | 0.26 | |
2 | 5.48 | 13.49 | 0.77 | 0.29 | |
3 | 10.35 | 15.62 | 0.79 | 0.34 | |
4 | 2.25 | 6.16 | 0.76 | 0.30 | |
5 | 16.80 | 21.23 | 0.81 | 0.34 |
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