CN110262282A - 火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真系统及方法，该系统，包括弹道仿真机、转台控制柜、三轴转台、组合导航单元以及舵机，弹道仿真机进行火箭子级六自由度弹道仿真，三轴转台模拟火箭子级的飞行姿态；组合导航与飞控单元安装在三轴转台上，敏感转台的姿态角速度，并进行导航制导控制运算，计算出舵偏指令；舵机接收到指令后，偏转到相应的角度，并将反馈值传送至组合导航单元。本发明可以真实的在地面模拟火箭子级的飞行过程，为导航制导控制算法的优化改进提供依据，并对后面的飞行试验提供可靠地保证。
Description
技术领域
本发明属于地面半实物仿真试验领域，具体为一种火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真系统及方法。
背景技术
随着试验技术的发展，使用虚拟化技术把仿真测试中一些模块用软件实现，而将其中的重要的模块用硬件实现，可在非破坏性的试验中对制导系统的性能进行精确而又可重复的测量。同时引入一些环境因素，如气象现象、人为电子干扰的仿真和空气动力的重现，可以使仿真环境与实际情况更接近，提高试验结果的准确性。
常用的半实物仿真平台有dSPACE半实物仿真平台、RT-LAB、xPC半实物仿真平台和NI半实物仿真平台等，在多产业中有广泛的应用，但这些仿真平台也存在相应的问题：(1)RT-LAB是针对专用设备,运行在专用的实时操作系统,需要手工修改适用于RT-LAB编译的接口模块,软硬件平台的通用性不够好；(2)dSPACE半实物仿真平台、NI半实物仿真平台的开发难度较大，而且其成本较高，无法在更多领域开展相应研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真系统
实现本发明目的的技术方案为：一种火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真系统，包括弹道仿真机、转台控制柜、三轴转台、组合导航单元以及舵机，其中：
所述弹道仿真机用于进行火箭子级的六自由度弹道仿真并根据舵偏反馈值计算火箭子级在发射惯性系下的位置、速度、姿态以及姿态角速度；
所述转台控制柜用于按照火箭子级在发射惯性系下的姿态角以及姿态角速度驱动三轴转台进行相应运动，模拟火箭子级姿态运动，同时转台控制柜用于将三轴转台各个轴偏转的实际位置发送给弹道仿真机保存；
所述组合导航单元设置在三轴转台上，用于根据三轴转台的姿态角速度、火箭子级的加速度、位置、速度完成组合导航运算，生成舵偏指令；
所述舵机用于根据舵偏指令偏转到对应角度，并将舵偏反馈值通过组合导航单元发送给弹道仿真机。
本发明还提供了一种火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真方法，具体步骤为：
弹道仿真机进行火箭子级六自由度弹道仿真，根据舵偏反馈值计算火箭子级在发射惯性系下的位置、速度、姿态以及姿态角速度，并将姿态角以及姿态角速度发送至转台控制柜，将火箭子级的加速度发送至组合导航单元；将发射惯性系下的位置速度转换成GPS数据发送至组合导航单元；
转台控制柜按照火箭子级在发射惯性系下的姿态角以及姿态角速度驱动三轴转台进行相应运动，模拟火箭子级姿态运动，转台控制柜将三轴转台各个轴偏转的实际位置发送到弹道仿真机保存；
组合导航单元安根据三轴转台的姿态角速度、火箭子级的加速度、位置、速度完成组合导航运算，生成舵偏指令并将命令发送至舵机；
舵机接收到来自组合导航单元的舵偏指令，控制器驱动舵机偏转到对应角度，并将舵偏反馈值发送到组合导航单元。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明不仅仅能够满足火箭子级落区控制的半实物仿真实验，在地面仿真模拟火箭子级的飞行过程，设置多种复杂的试验条件，优化制导控制方案，开发难度小，通用性强。
附图说明
图1为火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真系统原理框图。
图2为火箭子级在发射惯性系下俯仰角曲线。
图3为火箭子级在发射惯性系下偏航角曲线。
图4为火箭子级在发射惯性系下滚转角曲线。
图5为火箭子级1号舵偏曲线。
图6为火箭子级2号舵偏曲线。
图7为火箭子级3号舵偏曲线。
图8为火箭子级4号舵偏曲线。
具体实施方式
如图1所示，一种火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真系统，包括弹道仿真机、转台控制柜、三轴转台、组合导航单元以及舵机，其中：
所述弹道仿真机用于进行火箭子级的六自由度弹道仿真并根据舵偏反馈值计算火箭子级在发射惯性系下的位置、速度、姿态以及姿态角速度；
所述转台控制柜用于按照火箭子级在发射惯性系下的姿态角以及姿态角速度驱动三轴转台进行相应运动，模拟火箭子级姿态运动，同时转台控制柜用于将三轴转台各个轴偏转的实际位置发送给弹道仿真机保存；
所述组合导航单元设置在三轴转台上，用于根据三轴转台的姿态角速度、火箭子级的加速度、位置、速度完成组合导航运算，生成舵偏指令；
所述舵机用于根据舵偏指令偏转到对应角度，并将舵偏反馈值通过组合导航单元发送给弹道仿真机。为了保证本发明的真实度，舵机数量为4。
本发明能够满足以下功能：
(1)半实物系统仿真软件具有二次开发能力，可以根据需求随时修改程序；
(2)弹道仿真机能够模拟火箭子级六自由度弹道，并实现与转台控制柜、组合导航单元的通讯。
(3)三轴转台能够准确模拟火箭子级的三个姿态角；
(4)组合导航单元安装在三轴转台上，可以敏感转台的姿态角速度，并进行导航制导控制运算，计算出舵偏指令，实现与舵机的通信；
(5)舵机能够准确地接收到组合导航单元发送的舵偏指令、驱动舵机偏转到对应角度，并将位置反馈发送给组合导航单元。
进一步的实施例中，所述弹道仿真机与转台控制柜之间通过PCI5565反射内存卡实现光纤通讯。
进一步的实施例中，所述组合导航单元包括惯性组件、箭载计算机，所述惯性组件用于测量三轴转台的姿态角速度，箭载计算机用于根据三轴转台的姿态角速度、火箭子级的加速度、GPS数据完成组合导航运算。
本发明可以模拟火箭真实的飞行状态，并针对不同的飞行条件设置不同的仿真工况，进行比较全面的仿真试验，得到可靠准确的仿真数据，具体仿真过程为：试验前，进行硬件的自检，完成各模块软件的初始化，若出现故障，则停止试验进行系统检查，寻找原因，并解决；如果以上步骤准确完成，则正式开始进行试验。
弹道仿真机以1ms的节拍进行火箭子级六自由度弹道仿真，计算得到火箭子级在发射惯性系下的位置、速度、姿态以及姿态角速度，并将姿态角以及姿态角速度按照1ms的节拍发送至转台控制柜；将火箭子级的加速度按照5ms的节拍发送至组合导航单元；将发射惯性系下的位置速度转换成GPS数据(纬度、经度、高度、东速、北速和天速)按照1s的节拍发送至组合导航单元；接收组合导航单元传送的舵偏反馈值进行下一步的弹道计算，最后将仿真数据保存为txt。
转台控制柜接收到来自弹道仿真机的指令后驱动转台运动，其中外框代表俯仰轴，中框代表偏航轴，内框代表滚动轴。同时。转台控制柜将三轴转台各个轴偏转的实际位置发送到弹道仿真机上，保存为txt。
组合导航单元安装在三轴转台上，惯性组件测量三轴转台的姿态角速度，并将其发送给箭载计算机，与来自弹道仿真机的加速度、GPS信息，完成组合导航运算，根据导航结果由制导控制模块完成相应计算，并将命令发送至舵机，同时接收舵机传送的舵偏反馈值，并将其发送至弹道仿真机。
舵机接收到来自组合导航单元的舵偏指令，控制器驱动舵机偏转到对应角度，并将舵偏反馈值发送到组合导航单元。
完成实验后，系统各组成部分恢复至试验前状态，整理数据，分析实验结果。若需要继续进行试验，则按照以下步骤进行；若停止，则关闭机器、电源，确保安全。
一种火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真方法，具体步骤为：
弹道仿真机进行火箭子级六自由度弹道仿真，根据舵偏反馈值计算火箭子级在发射惯性系下的位置、速度、姿态以及姿态角速度，并将姿态角以及姿态角速度发送至转台控制柜，将火箭子级的加速度发送至组合导航单元；将发射惯性系下的位置速度转换成GPS数据发送至组合导航单元；
转台控制柜按照火箭子级在发射惯性系下的姿态角以及姿态角速度驱动三轴转台进行相应运动，模拟火箭子级姿态运动，转台控制柜将三轴转台各个轴偏转的实际位置发送到弹道仿真机保存；
组合导航单元安根据三轴转台的姿态角速度、火箭子级的加速度、位置、速度完成组合导航运算，生成舵偏指令并将命令发送至舵机；
舵机接收到来自组合导航单元的舵偏指令，控制器驱动舵机偏转到对应角度，并将舵偏反馈值发送到组合导航单元。
本发明基于PC机Windows系统，就有高度的集成化，可以在地面仿真模拟火箭子级的飞行过程，优化导航制导控制算法，为后面的飞行试验提供可靠地保证。同时本发明还可以推广到其他航空航天领域，开发难度小，通用性高。
实施例
以某火箭为原型，按照本发明的方法完成试验。结果如图2～8所示，从图2～8可以看出，火箭子级按照预定弹道飞行目标，舵偏被限制在20°以内，姿态平稳，控制状态良好。
Claims (5)
1.一种火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真系统，其特征在于，包括弹道仿真机、转台控制柜、三轴转台、组合导航单元以及舵机，其中：
所述弹道仿真机用于进行火箭子级的六自由度弹道仿真并根据舵偏反馈值计算火箭子级在发射惯性系下的位置、速度、姿态以及姿态角速度；
所述转台控制柜用于按照火箭子级在发射惯性系下的姿态角以及姿态角速度驱动三轴转台进行相应运动，模拟火箭子级姿态运动，同时转台控制柜用于将三轴转台各个轴偏转的实际位置发送给弹道仿真机保存；
所述组合导航单元设置在三轴转台上，用于根据三轴转台的姿态角速度、火箭子级的加速度、位置、速度完成组合导航运算，生成舵偏指令；
所述舵机用于根据舵偏指令偏转到对应角度，并将舵偏反馈值通过组合导航单元发送给弹道仿真机。
2.根据权利要求1所述的火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真系统，其特征在于，所述弹道仿真机与转台控制柜之间通过PCI5565反射内存卡实现光纤通讯。
3.根据权利要求1所述的火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真系统，其特征在于，所述组合导航单元包括惯性组件、箭载计算机，所述惯性组件用于测量三轴转台的姿态角速度，箭载计算机用于根据三轴转台的姿态角速度、火箭子级的加速度、GPS数据完成组合导航运算。
4.基于权利要求1～3任一所述的系统的方法，其特征在于，具体步骤为：
弹道仿真机进行火箭子级六自由度弹道仿真，根据舵偏反馈值计算火箭子级在发射惯性系下的位置、速度、姿态以及姿态角速度，并将姿态角以及姿态角速度发送至转台控制柜，将火箭子级的加速度发送至组合导航单元；将发射惯性系下的位置速度转换成GPS数据发送至组合导航单元；
转台控制柜按照火箭子级在发射惯性系下的姿态角以及姿态角速度驱动三轴转台进行相应运动，模拟火箭子级姿态运动，转台控制柜将三轴转台各个轴偏转的实际位置发送到弹道仿真机保存；
组合导航单元安根据三轴转台的姿态角速度、火箭子级的加速度、位置、速度完成组合导航运算，生成舵偏指令并将命令发送至舵机；
舵机接收到来自组合导航单元的舵偏指令，控制器驱动舵机偏转到对应角度，并将舵偏反馈值发送到组合导航单元。
5.根据权利要求4所述的火箭子级落区控制三轴转台半实物仿真方法，其特征在于，弹道仿真机以1ms的节拍进行火箭子级六自由度弹道仿真，并将姿态角以及姿态角速度按照1ms的节拍发送至转台控制柜，将火箭子级的加速度按照5ms的节拍发送至组合导航单元，将火箭子级的在地理坐标系下的位置、速度按照1s的节拍发送至组合导航单元。
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