CN107703775B - 刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天器仿真技术，为提出一个仿真系统，实现包括实时数值仿真、半实物仿真以及视景显示在内的全方位刚‑柔‑液耦合复杂航天器仿真。本发明，刚‑柔‑液耦合复杂航天器仿真系统，由三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台构成，其中一台计算机为主控计算机，运行仿真系统主控平台；一台计算机为视景计算机，运行视景仿真平台；一台计算机为转台控制计算机，负责实现转台控制功能；主控计算机与五台xPC仿真目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接。本发明主要应用于航天器仿真场合。

Description

刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及实时数值仿真、网络通信、半实物仿真、计算机编程和视景显示等领域，尤其涉及一种基于xPC Target(一种高性能的主机-目标机构原型环境，同xPC，下同)的刚-柔-液耦合复杂航天器仿真平台。

背景技术

随着对空间研究、开发与应用能力的不断提高，我国需要研制并发射大量面向各种任务要求的航天器，航天器的结构组成日趋复杂：从传统的刚-柔/刚-液航天器转变为复杂的刚-柔-液航天器。如何使得刚-柔-液耦合复杂航天器在空间环境中具有灵活的机动能力和较高的稳定能力，更加稳定、高质量地在轨运行与服务，已成为目前航天技术领域亟待解决的重要问题。

为了真实反映刚-柔-液耦合复杂航天器的特性，在航天研究中需要对航天器进行建模，而刚-柔-液耦合复杂航天器建模具有如下难点：模型方面，模型的刚-柔-液耦合特性难以分析，稳定条件难以获取；姿态稳定方面，液体燃料晃动及柔性附件振动难以抑制，姿态控制精度低；姿态机动方面，强烈液体晃动情况下，难以兼顾机动快速性及液体燃料晃动强度。

在进行刚-柔-液耦合复杂航天器Simulink(MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，下同)仿真的基础上，将高性能实时仿真设备应用到仿真过程当中，从而达到提高仿真精度的目的。当下主流的实时仿真装置是xPCTarget。xPC Target是一套应用于产品原型测试、实时系统配置及开发的PC机解决方案，由Matlab(美国MathWorks公司出品的商业数学软件，下同)提供，采用的是宿主机-目标机结构，具有实时性好、扩展性高、可靠性强等一系列优点，xPC的应用在航天器仿真过程研究中均具有重要的意义。

模型的复杂化不断加深的同时，对于真实航天器的模拟越来越逼真，例如六自由度模型就能够逼真的反映刚-柔-液耦合复杂航天器在飞行过程中的速度以及角度变化。半实物仿真是介于数字仿真与实物实验之间的过程，能够保证仿真系统可以最大限度的接近真实实验情况。通过半实物仿真技术，可以将一些实物设备加入到仿真回路中进行仿真。本发明运用半实物仿真原理，设计并开发三轴仿真转台，以半实物仿真的形式对刚-柔-液耦合复杂航天器飞行姿态的进行呈现。

在新时代的航天器仿真研究的过程中，学科的交叉起到了十分重要的作用。其中一个关键的产物就是视景仿真技术，它是结合了计算机图形学和3D仿真等相关技术的应用。所有的3D开发底层都必须遵循OpenGL(全称Open Graphics Library，是指定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口，下同)或DirectX(DirecteXtension，是由微软公司创建的多媒体编程接口，下同)标准，并且高级语言和图形库的出现进一步推动了三维视景仿真的进步。21世纪以来，随着3D技术的不断发展，一些游戏引擎应运而生。时下比较主流的的3D游戏引擎包括Unity 3D、BigWorld、Cry Engine、Unreal 4等。游戏引擎可以解决游戏开发时可能出现的各类问题，并向开发者提供一套通用的基础设施。对于视景平台开发而言，游戏引擎提供了视景开发所需的全套解决方案。

综上所述，仿真研究是当前刚-柔-液耦合复杂航天器研究的重要组成部分，而实时数值仿真、半实物仿真、视景仿真等是仿真过程中的重要环节。实时数值仿真是在simulink数字仿真环境的基础上，配以先进的实时仿真设备实现实时数据观测、曲线绘制以及在线调参等功能；半实物仿真则是在数值仿真的基础上，通过接收仿真过程中产生的数据由实物模拟航天器的飞行过程，使得仿真效果更加逼真直观；视景仿真则利用Unity3D技术实现了对航天器飞行过程的可视化任务，可以增强仿真的真实性，同时更有利于研究人员了解及认识整个实验过程。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一个仿真系统，实现包括实时数值仿真、半实物仿真以及视景显示在内的全方位刚-柔-液耦合复杂航天器仿真。为此，本发明采用的技术方案是，刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统，由三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台构成，其中一台计算机为主控计算机，运行仿真系统主控平台；一台计算机为视景计算机，运行视景仿真平台；一台计算机为转台控制计算机，负责实现转台控制功能；整个系统硬件围绕主控计算机即宿主机进行搭建：主控计算机与五台xPC仿真目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，由转台控制计算机接收控制器发来的指令，并通过RS232(异步传输标准接口，下同)串口与三轴转台进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接，驱动视景计算机中的刚-柔-液耦合复杂航天器模型运动。

主控计算机设置有数字仿真模块、实时仿真模块、数据管理模块、性能评估模块、网络通信模块；其中数字仿真模块首先通过搭建可复用的回路，搭建刚-柔-液耦合复杂航天器模型库和控制方法库，模型库包括计算流体动力学CFD(Computational FluidDynamics)法模型、有限元法模型、拉格朗日法模型，控制方法库包括非线性反馈控制方法、自适应极点配置方法、输入成形方法，在此基础上，通过调用matlab engine集成数字仿真功能，在模型库和控制方法库构建的过程中，通过将模型和控制方法的接口进行标准化操作，通过匹配任意模型和控制方法进行数字仿真，得到各种组合的仿真数据并分析性能的优劣；实时仿真模块通过集成xPC Target C API来构建主控平台的实时仿真部分，实时监控高度、速度、液体温度、攻角等数据，并提供在线调参功能，得以在仿真进行的过程中随时更改初始配置参数，观察刚-柔-液耦合复杂航天器仿真变化情况；数据管理模块基于关系型数据库管理系统MySQL进行开发，通过MySQL提供的API函数集成仿真数据管理功能，不但管理刚-柔-液耦合复杂航天器的模型库和方法库，还实现对仿真数据的添加、修改、删除；性能评估模块是通过选取有效的性能评估指标从而建立性能评估体系，通过加权评估算法得到最终得分，直观地评价刚-柔-液耦合复杂航天器的控制性能；网络通信模块采用用户数据报协议UDP方式进行通信，集成于主控计算机之中，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行数据传输给视景平台。

转台控制模块集成于转台控制计算机软件中，而转台控制计算机是基于三轴转台提供的接口函数dfjzh9030控制卡函数库进行设计的，通过对转台的上位机软件进行二次开发，实现转台管理功能。

视景计算机采用Unity 3D游戏引擎构建，包括航天器模型库、飞行场景库、动作执行库、人机交互界面库以及音效系统库了；航天器模型库包含了各种刚-柔-液耦合复杂航天器模型，由直接面向设计方案创作过程的设计工具google sketchup提供并完善，充分模拟刚-柔-液耦合复杂航天器中的太阳帆板以及液体燃料等特殊属性，并作为预设prefab文件可以重复使用；飞行场景库包含各种星空场景，采用Unity 3D的着色器程序shader技术开发，采用基于GPU的Cg语言进行编程；动作执行库基于C#脚本语言实现，是指在脱离了仿真主控平台数据传输的情况下，也可以自定义各种飞行动作；人机交互界面库是指通过UGUI技术建立UI界面，通过一些按钮、图片执行对于平台的操作；Unity 3d提供音效系统，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行过程中的音效纳入系统中。

三轴转台在整个仿真系统中起到实物模拟的作用，是由其中的光电编码器来实现对姿态的反馈，并针对反馈的误差进行两次补偿控制，由此形成仿真系统闭环；进行补偿控制的具体方法是通过比较反馈值与逻辑输入值来得到差值，如果差值小于提前设定的阈值，则属于控制精确的范畴，不需要补偿控制；若差值比阈值大，则需要补偿控制；在补偿控制的过程中，将得到的偏差值作为逻辑输入来控制转台旋转，将旋转结束后得到的反馈值与偏差值再比较一次，直到得到的偏差值小于设定的阈值，则停止控制；同时转台上位机软件嵌入主控平台之中，实现了在主控平台进行实时仿真的同时，转台控制器接收航天器实时姿态信息从而精确模拟航天器飞行姿态。

刚-柔-液耦合复杂航天器仿真方法，利用三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台实现，其中一台计算机为主控计算机，运行仿真系统主控平台；一台计算机为视景计算机，运行视景仿真平台；一台计算机为转台控制计算机，负责实现转台控制功能；整个系统硬件围绕主控计算机即宿主机进行搭建：主控计算机与五台xPC仿真目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，由转台控制计算机接收控制器发来的指令，并通过RS232串口与三轴转台进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接，驱动视景计算机中的刚-柔-液耦合复杂航天器模型运动；

主控计算机设置有数字仿真模块、实时仿真模块、数据管理模块、性能评估模块、网络通信模块；其中数字仿真模块首先通过搭建可复用的回路，搭建刚-柔-液耦合复杂航天器模型库和控制方法库，模型库包括计算流体动力学CFD(Computational FluidDynamics)法模型、有限元法模型、拉格朗日法模型，控制方法库包括非线性反馈控制方法、自适应极点配置方法、输入成形方法，在此基础上，通过调用matlab engine集成数字仿真功能，在模型库和控制方法库构建的过程中，通过将模型和控制方法的接口进行标准化操作，通过匹配任意模型和控制方法进行数字仿真，得到各种组合的仿真数据并分析性能的优劣；实时仿真模块通过集成xPC Target C API来构建主控平台的实时仿真部分，实时监控高度、速度、液体温度、攻角等数据，并提供在线调参功能，得以在仿真进行的过程中随时更改初始配置参数，观察刚-柔-液耦合复杂航天器仿真变化情况；数据管理模块基于关系型数据库管理系统MySQL进行开发，通过MySQL提供的API函数集成仿真数据管理功能，不但管理刚-柔-液耦合复杂航天器的模型库和方法库，还实现对仿真数据的添加、修改、删除；性能评估模块是通过选取有效的性能评估指标从而建立性能评估体系，通过加权评估算法得到最终得分，直观地评价刚-柔-液耦合复杂航天器的控制性能；网络通信模块采用用户数据报协议UDP方式进行通信，集成于主控计算机之中，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行数据传输给视景平台。

本发明的特点及有益效果是：

(1)本发明中负责实时仿真的硬件为xPC仿真机。本发明中配备五台xPC仿真目标机，分别负责运行刚体模拟装置、柔性模拟装置、液体模拟装置、输入成型器和控制器。在此基础上，利用xPC Target C API集成xPC实时仿真功能于主控平台中，实现仿真数据监控；

(2)本发明中三轴转台配备的伺服电机型号为松下MHMJ022G1U，伺服放大器型号为嘉宏9030，光电编码器型号为衡纬光电HJ90H40，并配备了USB接口及RS232串口。在上述硬件构成的基础上，通过与之匹配的dfjzh9030控制卡函数库对转台的上位机软件进行二次开发，并集成于仿真系统的主控平台之中；

(3)本发明中主控平台构建了一个可视化的用户界面，集成了仿真系统的所有功能。主控平台开发基于Windows平台，通过WPF(全称Windows Presentation Foundation，是微软推出的基于Windows的用户界面框架，下同)框架实现。其中，界面显示部分通过XAML(可扩展应用程序标记语言，下同)语言开发，可绘制图形化的用户界面以及用于交互的按钮、复选框等控件；后台逻辑代码通过C#语言开发，C#是一种面向对象的语言，不仅能够减少冗余的代码，而且可以提高代码的可读性及安全性，有利于对代码进行扩展和多次开发。主控平台通过必要的函数接口集成了Matlab数字仿真功能和xPC实时仿真功能，并配备数据库管理功能、性能评估功能以及网络通信功能；

(4)本发明配备高性能视景显示计算机，视景仿真平台采用Unity 3D游戏引擎搭建，航天器模型文件通过google sketchup提供并完善，通过C#脚本语言实现平台逻辑操作。视景平台集成了模型库、环境库、特殊效果库等一系列库文件，并设计UI界面实现人机交互。操作者可以自由选择模型、环境以及一些特殊效果进行搭配，从而达到多种不同的视景显示效果。

附图说明：

图1刚-柔-液耦合复杂航天器仿真平台硬件原理图。

图2三轴转台嵌入刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统闭环控制图。

图3主控平台总体结构图。

图4视景仿真平台总体框图。

图5航天器模型选择与载入场景图。

具体实施方式

本发明是利用实时数值仿真、网络通信、半实物仿真、计算机编程和视景显示等技术，发明的一种基于xPC的刚-柔-液耦合复杂航天器仿真平台。

本发明将刚-柔-液耦合复杂航天器Simulink模型在宿主机上进行设计，通过RTW(Real Time Workspace，Simulink自带的工具包，下同)模式，将产生的目标代码以下载的方式在目标机中实时运行，将产生的仿真数据进行三次处理：第一次将数据通过光纤传输给宿主机的主控平台，主控平台通过可视化界面，以动态数据和实时曲线的形式，显示飞行高度、速度、液体温度、攻角等数据的变化；第二次将控制器模型输出的控制指令通过转台控制计算机经由串口传给三轴转台，通过伺服放大器处理其中的角度信息，驱动三轴转台的伺服电机旋转来模拟航天器姿态变化，在此基础上由光电编码器进行反馈，从而实现闭环控制；第三次则将通过以太网通信将数据由宿主机传输给视景计算机，驱动视景仿真程序，实现视景仿真。整体仿真平台则由C#语言编写主控平台，通过WPF框架绘制用户界面，实现人机交互，视景仿真平台采用Unity 3D技术，由此构成一个仿真系统的整体，实现包括实时数值仿真、半实物仿真以及视景显示在内的全方位刚-柔-液耦合复杂航天器仿真。

本发明就是利用实时数值仿真、网络通信、半实物仿真、计算机编程和视景显示等技术的一种刚-柔-液耦合复杂航天器仿真平台及实现方法。该发明不仅可以通过观测实时曲线数值了解刚-柔-液耦合复杂航天器的仿真过程，还具备模拟航天器姿态变化的三轴转台以及提供动画显示效果的视景仿真平台，不但提高了仿真的可靠性还极大得丰富了仿真系统的多样性。

技术方案如下：

本发明中包含三台高性能计算机，五台实时仿真目标机，以及一架三轴转台。其中一台计算机运行仿真系统主控平台，一台计算机运行视景仿真平台，一台计算机负责实现转台控制功能。整个系统硬件围绕主控计算机即宿主机进行搭建：主控计算机与五台目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，由转台控制计算机接收控制器发来的指令，并通过RS232串口与三轴转台进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接，驱动视景仿真平台中的刚-柔-液耦合复杂航天器模型运动。

上述所说的仿真系统主控平台主要包括了

数字仿真模块、实时仿真模块、数据管理模块、性能评估模块、网络通信模块；其中数字仿真模块首先通过搭建可复用的回路，搭建刚-柔-液耦合复杂航天器模型库和控制方法库(注：模型库和控制方法库中的模型及控制方法均属于刚-柔-液耦合复杂航天器Simulink仿真模型的组成部分，对应于经典控制理论中的被控对象和控制器，其中模型包括库包括刚体模型、柔性帆板模型、液体模型等，控制方法库包括多个经典控制方法。本发明由于涉及到多种模型及控制方法，故通过可复用的思想搭建刚-柔-液耦合复杂航天器仿真回路，通过统一IO接口的方式实现了不同模型和控制方法的调用)，模型库包括CFD(全称Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学，下同)法模型、有限元法模型、拉格朗日法模型，控制方法库包括非线性反馈控制方法、自适应极点配置方法、输入成形方法(注：在模型库和控制方法库构建的过程中，通过将模型和控制方法的接口进行标准化操作，实现了模型和控制方法的可复用性，即可以通过匹配任意模型和控制方法进行数字仿真，得到各种组合的仿真数据并分析性能的优劣。这种将接口进行标准化的操作可以大大提升仿真效率，并且可以方便地验证模型的正确性及控制方法的可行性)。在此基础上，通过COM接口(串行通讯端口，下同)调用dll(动态链接库，下同)文件的方式实现了matlab engine的调用，通过调用matlab engine(是指一组Matlab提供的接口函数，下同)集成了数字仿真功能；实时仿真模块通过集成xPC Target C API(xPC Target提供的基于C语言的接口函数，下同)来构建主控平台的实时仿真部分，实时监控高度、速度、液体温度、攻角等数据，并提供在线调参功能，得以在仿真进行的过程中随时更改初始配置参数，观察刚-柔-液耦合复杂航天器仿真变化情况；数据管理模块基于MySQL(MySQL AB公司开发的关系型数据库管理系统，下同)进行开发，通过MySQL提供的API函数集成仿真数据管理功能，不但管理刚-柔-液耦合复杂航天器的模型库和方法库，还实现对仿真数据的添加、修改、删除；性能评估模块是通过选取有效的性能评估指标从而建立性能评估体系，通过加权评估算法得到最终得分，直观地评价刚-柔-液耦合复杂航天器的控制性能；网络通信模块采用UDP(用户数据报协议，下同)方式进行通信，集成于主控计算机之中，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行数据传输给视景平台。

转台控制模块集成于转台控制计算机软件中，而转台控制计算机是基于dfjzh9030控制卡函数库进行设计的，通过对转台的上位机软件进行二次开发，实现转台管理功能。

视景计算机采用Unity 3D游戏引擎构建，包括航天器模型库、飞行场景库、动作执行库、人机交互界面库以及音效系统库；航天器模型库包含了各种刚-柔-液耦合复杂航天器模型，由google sketchup(是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具，下同)提供并完善，充分模拟刚-柔-液耦合复杂航天器中的太阳帆板以及液体燃料等特殊属性，并作为prefab(预设文件，下同)文件可以重复使用；飞行场景库包含各种星空场景，采用Unity 3D的shader(着色器程序，下同)技术开发，采用基于GPU的Cg语言(计算机编程语言，下同)进行编程；动作执行库基于C#脚本语言实现，是指在脱离了仿真主控平台数据传输的情况下，也可以自定义各种飞行动作；人机交互界面库是指通过UGUI(Unity官方推出的最新UI系统，下同)技术建立UI界面，通过一些按钮、图片执行对于平台的操作；Unity 3d提供音效系统，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行过程中的音效纳入系统中。

三轴转台在整个仿真系统中起到实物模拟的作用，是由其中的光电编码器来实现对姿态的反馈，并针对反馈的误差进行两次补偿控制，由此形成仿真系统闭环。进行补偿控制的具体方法是通过比较反馈值与逻辑输入值来得到差值，如果差值小于提前设定的阈值，则属于控制精确的范畴，不需要补偿控制；若差值比阈值大，则需要补偿控制。在补偿控制的过程中，将得到的偏差值作为逻辑输入来控制转台旋转，将旋转结束后得到的反馈值与偏差值再比较一次，直到得到的偏差值小于设定的阈值，则停止控制。同时通过对转台上位机软件进行二次开发，将其嵌入主控平台之中，实现了在主控平台进行实时仿真的同时，转台控制器接收航天器实时姿态信息从而精确模拟航天器飞行姿态。

刚-柔-液耦合复杂航天器仿真平台，搭建了一个完整的航天器仿真框架，只要具备刚-柔-液耦合复杂航天器在simulink下的仿真模型及控制算法，本发明均可以在三个不同的方面来观测仿真效果：即实时数据监控、实物模拟以及飞行动画模拟，打破了传统的离线数字仿真的局限性，为研究人员提供更宽广的仿真选择。为此，本发明特别适合国内外从事刚-柔-液耦合复杂航天器仿真研究的高校或机构，能够在很大程度上促进刚-柔-液耦合复杂航天器仿真的发展。对比传统的航天器仿真，本发明的优势如下：

该发明通过提供如下功能，增强了刚-柔-液耦合复杂航天器仿真平台的可行性和有效性。

(1)通过模块化的思想，把刚-柔-液耦合复杂航天器simulink仿真回路整体划分为一些模块库，如模型库及控制方法库，并统一模块内的IO(输入输出，下同)接口，来提高仿真回路的复用性。从事刚-柔-液耦合复杂航天器仿真的研究人员只需对必要模块内的模型进行设计，而不必设计新的整体仿真回路，从而可以在很大程度上提高工作的效率；并且这种可复用的仿真回路可以使得仿真数据更具对比性，有利于性能评估功能的实现；

(2)性能评估功能则首先针对刚-柔-液耦合复杂航天器选取适当的评估指标，并通过一定的权重赋予方法来计算指标权重，在此基础上可以构建合理的评估体系，从而实现对航天器仿真平台的性能评估。由于评估算法的合理运用，性能评估功能可以对不同的刚-柔-液耦合复杂航天器的不同数据进行合理高效的运算，不但使得评估结果真实可靠，也让评估系统具备了更高的自定义性和可扩展性；

(3)航天器模型库和飞行场景库包含各种刚-柔-液耦合复杂航天器模型和星空场景，在模型完善和场景搭建的基础上，采用Unity 3D的shader技术和粒子系统使得模型和场景的视觉效果更加逼真，如太阳帆板的反射效果以及液体燃料晃动效果。Shader是指着色器程序，采用基于GPU的Cg语言进行编程，可以执行像素着色和顶点着色任务。而粒子系统可以通过将粒子效果与各异的纹理贴图结合，模拟航天器飞行轨迹等效果；

(4)主控计算机需要将获得的刚-柔-液耦合复杂航天器实时仿真数据传输到视景计算机，两台计算机连接同一个路由器，从而构成以太网络，并利用UDP协议进行数据通信。UDP协议由于不属于连接型协议的范畴，因而具有处理速度快、资源消耗小等优点。

结合附图对本发明作进一步详述。

图1所示的是刚-柔-液耦合复杂航天器仿真平台硬件原理图。硬件包括三台高性能计算机，用于实时仿真的五台xPC实时仿真目标机，以及用于半实物仿真的三轴转台。其中五台xPC目标机与主控计算机通过光纤连接并进行通信，运行控制器的xPC仿真机通过串口与转台控制计算机进行通信，三轴转台则通过串口与转台控制计算机通信。视景计算机配置高性能显卡，与主控计算机之间通过以太网进行通信。

图2所示的是三轴转台嵌入刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统闭环控制图。为了达到更高精度的航天器姿态控制效果，针对反馈的误差进行补偿控制。主控计算机在获取到航天器实时仿真数据后得到的坐标值是四元数坐标，通过变换将其转换成三轴转台坐标系下的X、Y、Z坐标值，将转换结果传输给转台控制器，并输出姿态角数值到伺服放大器，以此来控制电机进行转动。与此同时，通过电机上的角位置传感器将姿态信息回传给伺服放大器，来达到精确控制的目的。在电机转动驱动框架运动之后，通过光电编码器测量运转的姿态角，并经由串口将测量值反馈到主控计算机，主控平台通过计算偏差来实现补偿控制，由此来完成闭环控制。

图3所示的是主控平台总体结构图。主要包括如图所示的五个模块，其中数字仿真模块提供可选择的刚-柔-液耦合复杂航天器模型，可进行离线仿真；实时仿真模块则在数字仿真的基础上运用先进的实时仿真设备进行分布式实时仿真，提高仿真的精确度；数据管理模块用于管理仿真数据，具有存储、修改、删除等功能；性能评估模块则通过对必要的飞行数据进行定量评估，来验证航天器控制性能；网络通信模块实现了主控平台与视景仿真平台之间的数据传输。

图4所示的是视景仿真平台总体框图。驱动视景平台的数据来自于主控平台，除此之外，视景仿真平台也可以作为一个独立的应用，用户通过人机交互模块，可以自由选择航天器模型与飞行场景，每个刚-柔-液耦合复杂航天器模型都预设了特定的音效，在此基础上通过动作执行模块完成视景动态显示。

图5所示的是航天器模型选择与载入场景图。不同刚-柔-液耦合复杂航天器模型可以匹配不同的场景，选择模型之后载入相应的场景。

Claims (2)

1.一种刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统，其特征是，由三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台构成，其中一台计算机为主控计算机，运行仿真系统主控平台；一台计算机为视景计算机，运行视景仿真平台；一台计算机为转台控制计算机，负责实现转台控制功能；整个系统硬件围绕主控计算机即宿主机进行搭建：主控计算机与五台xPC仿真目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，由转台控制计算机接收控制器发来的指令，并通过异步传输标准接口串口与三轴转台进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接，驱动视景计算机中的刚-柔-液耦合复杂航天器模型运动；

主控计算机设置有数字仿真模块、实时仿真模块、数据管理模块、性能评估模块、网络通信模块；其中数字仿真模块首先通过搭建可复用的回路，搭建刚-柔-液耦合复杂航天器模型库和控制方法库，模型库包括计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)法模型、有限元法模型、拉格朗日法模型，控制方法库包括非线性反馈控制方法、自适应极点配置方法、输入成形方法，在此基础上，通过调用matlab engine集成数字仿真功能，在模型库和控制方法库构建的过程中，通过将模型和控制方法的接口进行标准化操作，通过匹配任意模型和控制方法进行数字仿真，得到各种组合的仿真数据并分析性能的优劣；实时仿真模块通过集成xPC Target C API来构建主控平台的实时仿真部分，实时监控高度、速度、液体温度、攻角数据，并提供在线调参功能，得以在仿真进行的过程中随时更改初始配置参数，观察刚-柔-液耦合复杂航天器仿真变化情况；数据管理模块基于关系型数据库管理系统MySQL进行开发，通过MySQL提供的API函数集成仿真数据管理功能，不但管理刚-柔-液耦合复杂航天器的模型库和方法库，还实现对仿真数据的添加、修改、删除；性能评估模块是通过选取有效的性能评估指标从而建立性能评估体系，通过加权评估算法得到最终得分，直观地评价刚-柔-液耦合复杂航天器的控制性能；网络通信模块采用用户数据报协议UDP方式进行通信，集成于主控计算机之中，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行数据传输给视景平台；转台控制模块集成于转台控制计算机软件中，而转台控制计算机是基于三轴转台提供的接口函数dfjzh9030控制卡函数库进行设计的，通过对转台的上位机软件进行二次开发，实现转台管理功能；

视景计算机采用Unity 3D游戏引擎构建，包括航天器模型库、飞行场景库、动作执行库、人机交互界面库以及音效系统库了；航天器模型库包含了各种刚-柔-液耦合复杂航天器模型，由直接面向设计方案创作过程的设计工具google sketchup提供并完善，充分模拟刚-柔-液耦合复杂航天器中的太阳帆板以及液体燃料属性，并作为预设prefab文件可以重复使用；飞行场景库包含各种星空场景，采用Unity 3D的着色器程序shader技术开发，采用基于GPU的Cg语言进行编程；动作执行库基于C#脚本语言实现，是指在脱离了仿真主控平台数据传输的情况下，也可以自定义各种飞行动作；人机交互界面库是指通过UGUI技术建立UI界面，通过一些按钮、图片执行对于平台的操作；Unity 3d提供音效系统，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行过程中的音效纳入系统中；

三轴转台在整个仿真系统中起到实物模拟的作用，是由其中的光电编码器来实现对姿态的反馈，并针对反馈的误差进行两次补偿控制，由此形成仿真系统闭环；进行补偿控制的具体方法是通过比较反馈值与逻辑输入值来得到差值，如果差值小于提前设定的阈值，则属于控制精确的范畴，不需要补偿控制；若差值比阈值大，则需要补偿控制；在补偿控制的过程中，将得到的偏差值作为逻辑输入来控制转台旋转，将旋转结束后得到的反馈值与偏差值再比较一次，直到得到的偏差值小于设定的阈值，则停止控制；同时转台上位机软件嵌入主控平台之中，实现了在主控平台进行实时仿真的同时，转台控制器接收航天器实时姿态信息从而精确模拟航天器飞行姿态。

2.一种用于实现权利要求1所述的刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统的方法，其特征是，利用三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台实现，其中一台计算机为主控计算机，运行仿真系统主控平台；一台计算机为视景计算机，运行视景仿真平台；一台计算机为转台控制计算机，负责实现转台控制功能；整个系统硬件围绕主控计算机即宿主机进行搭建：主控计算机与五台xPC仿真目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，由转台控制计算机接收控制器发来的指令，并通过RS232串口与三轴转台进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接，驱动视景计算机中的刚-柔-液耦合复杂航天器模型运动；

主控计算机设置有数字仿真模块、实时仿真模块、数据管理模块、性能评估模块、网络通信模块；其中数字仿真模块首先通过搭建可复用的回路，搭建刚-柔-液耦合复杂航天器模型库和控制方法库，模型库包括计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)法模型、有限元法模型、拉格朗日法模型，控制方法库包括非线性反馈控制方法、自适应极点配置方法、输入成形方法，在此基础上，通过调用matlab engine集成数字仿真功能，在模型库和控制方法库构建的过程中，通过将模型和控制方法的接口进行标准化操作，通过匹配任意模型和控制方法进行数字仿真，得到各种组合的仿真数据并分析性能的优劣；实时仿真模块通过集成xPC Target C API来构建主控平台的实时仿真部分，实时监控高度、速度、液体温度、攻角数据，并提供在线调参功能，得以在仿真进行的过程中随时更改初始配置参数，观察刚-柔-液耦合复杂航天器仿真变化情况；数据管理模块基于关系型数据库管理系统MySQL进行开发，通过MySQL提供的API函数集成仿真数据管理功能，不但管理刚-柔-液耦合复杂航天器的模型库和方法库，还实现对仿真数据的添加、修改、删除；性能评估模块是通过选取有效的性能评估指标从而建立性能评估体系，通过加权评估算法得到最终得分，直观地评价刚-柔-液耦合复杂航天器的控制性能；网络通信模块采用用户数据报协议UDP方式进行通信，集成于主控计算机之中，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行数据传输给视景平台。

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