CN110456663A - 基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置及方法，属于飞行器地面仿真技术领域。本发明中动力学与运动学仿真机通过光纤网络接收仿真上位机给出的条件和指令后计算数据，将轨道位置信息传输给三维平动运动机构、磁场产生装置、星图模拟装置、侧风模拟装置，将姿态信息传输给三维转动运动机构、无磁三轴转台，后者经计算后产生相应的运动位移、磁场强度、星图、不同大小侧风以及转动角度；惯性组合和星敏感器以及磁探测传感器将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机，侧风传感器和位姿传感器将测得的信息还反馈给控制器，形成大闭环。本发明将多种传感器融合进行地面仿真，适用于各种飞行器模拟测试。

Description

基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置及方法，属于飞行器地面仿真技术领域。
背景技术
以飞机、导弹、卫星为代表的飞行器由于其特殊的运行环境，通过样机实际飞行试验进行系统运行控制的调试优化成本高、周期长，甚至难以实现，因此必须开发相对容易实施的低成本高精度地面仿真系统来完成相关技术的测试、分析与验证。
厉明等发表的《基于快速仿真原型的飞行器半物理仿真系统》(光学精密工程，2008年10月，页码1949-1955)设计了基于快速仿真原型技术的大闭环半物理飞行实时仿真系统，由动力学仿真、视景仿真和飞行控制等分系统组成,通过光纤反射内存网络高速互连，仿真结果证明了建模理论和方法的合理性和有效性，其给出的仿真系统将舵机和实时控制器加入闭环，通过转台实现运动学模拟，提高了仿真的效能，但还不能将磁场信息、星敏等敏感器的信息等融入到仿真闭环中，其效能仍具有一定的局限性；
王激扬等在《无人飞行器的多源信息融合技术发展综述》(战术导弹技术，2019年4月，页码106-112)中针对新的作战需求和目标特性赋予了无人飞行器多源信息融合技术新的挑战,开展了无人飞行器多源信息融合技术和典型应用两个方向的研究,全面地总结了近几年无人飞行器的多源信息融合技术的发展概况,整理了信息融合技术中的数据预处理、态势估计、属性融合、态势感知的几种典型算法的研究进展，其分析总结了近几年无人飞行器的多源信息融合技术的发展概况，但不涉及物理仿真技术，没有给出相关的仿真验证方法。
中国发明专利号CN201811508272.7名称为“一种基于多源信息融合的农机轨迹跟踪、避障系统及方法”的专利公开了一种基于多源信息融合的农机轨迹跟踪、避障系统及方法，包括用户交互模块、环境感知模块、多源信息融合模块、路径规划决策模块和执行模块，用户交互模块由用户选择关键点，生成全局规划的参考路径，同时实时显示农机状态；环境感知模块实时采集当前路况、环境数据以及车辆位姿信息；多源信息融合模块将环境感知模块采集到的不同传感器且在同一环境内的信息去除噪声，进行融合处理；路径规划决策模块将得到的融合过的环境信息与参考路径信息对比，决策出当前适宜的转角速度控制量；执行模块与路径规划决策模块相连通，控制农机完成跟踪任务；本发明克服了现有路径跟踪方法精度不高且遇到障碍物无法绕行的缺点。
申请号为CN201810427354.2的发明专利“基于多源信息融合的降雨量估算方法”公开了一种基于多源信息融合的降雨量估算方法，包括：将研究区域内的地面站观测降雨数据和研究区域多源卫星降雨量数据体相结合，构成研究区域多源数据集；建立基于动态贝叶斯理论的研究区域的贝叶斯降雨预测模型；利用最大熵方法求取贝叶斯降雨预测模型的非线性最优解，进而确定各个卫星数据源的最佳权重和不确定性信息；基于卫星数据源的最佳权重和不确定性，生成研究区域内应用多源信息融合降雨量的估算结果。
但是专利“一种基于多源信息融合的农机轨迹跟踪、避障系统及方法”和“基于多源信息融合的降雨量估算方法”给出的方法不适用于飞行器的情况。因此本发明给出一种能够覆盖惯性组合、磁场、星敏、风速等信息的多源信息融合飞行器巡航仿真装置及方法，原理简单，并且工程实现性强。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在不能将磁场信息、星敏等敏感器的信息等融入到仿真闭环中，效能具有局限性；并且不涉及物理仿真技术，没有给出相关的仿真验证方法，除此之外还不适用于飞行器的问题，进而提供一种基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置，包括：三维平动运动机构、三维转动运动机构、惯性组合、动力学与运动学仿真机、控制器、磁屏蔽室、无磁三轴转台、磁探测传感器、磁场产生装置、星敏感器、星图模拟装置、桁架、气浮球轴承、气浮球、侧风传感器、位姿传感器、侧风模拟装置和仿真上位机；
其中，仿真上位机、动力学与运动学仿真机和控制器通过光纤网络相连，三维转动运动机构安装在三维平动运动机构上，所述三维转动运动机构上安装惯性组合，三维平动运动机构和三维转动运动机构接收动力学与运动学仿真机给出的运动指令，带动惯性组合在空间中运行，惯性组合将测量的数据传输给动力学与运动学仿真机和控制器实现闭环；
无磁三轴转台安装在磁屏蔽室内，磁探测传感器安装在无磁三轴转台的内环轴的承载盘上，磁场产生装置安装在磁屏蔽室内，磁场产生装置接收动力学与运动学仿真机给出的当前飞行器所处位置的磁场信息，磁探测传感器可以将该信息反馈给动力学与运动学仿真机和控制器形成闭环；
星敏感器安装在三维转动运动机构的承载盘上，和星图模拟装置面对面安装，星图模拟装置接收动力学与运动学仿真机给出的当前飞行器所处位置信息并产生相应的星图，星敏感器根据星图将测得的位置姿态信息反馈给动力学与运动学仿真机和控制器形成闭环；
安装在地基上的桁架上吊挂一套气浮球轴承，气浮球倒装在气浮球轴承中，气浮球的下端挂装侧风传感器和位姿传感器，侧风模拟装置接收动力学与运动学仿真机给出的侧风信息，侧风传感器和位姿传感器将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机和控制器形成闭环。
所述三维平动运动机构由X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构组成，三维转动运动机构整体安装在三维平动运动机构的Z向运动机构的承载盘上。
所述三维转动运动机构为一个三轴转台，由内环轴、中环轴和外环轴组成，内环轴上安装飞行器的惯性组合。
所述磁屏蔽室用于将空间磁场屏蔽。
所述磁场产生装置基于三轴亥姆霍兹线圈及相应的程控恒流源构建，能够在局部空间内产生指定的磁场。
一种基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤一：仿真上位机、动力学与运动学仿真机和控制器通过光纤网络相连，动力学与运动学仿真机接收仿真上位机给出的初始条件和开始仿真的指令后计算相关数据，
步骤二：动力学与运动学仿真机将轨道位置信息传输给三维平动运动机构、磁场产生装置、星图模拟装置和侧风模拟装置，将姿态信息传输给三维转动运动机构和无磁三轴转台，后者根据位置经计算后产生相应的运动位移、磁场强度、星图、不同大小的侧风以及转动角度；
步骤三：安装在三维转动运动机构承载盘上的惯性组合和星敏感器将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机，安装在无磁三轴转台内环承载盘上的磁探测传感器将测得的磁信息反馈给动力学与运动学仿真机，安装在气浮球挂杆上的侧风传感器和位姿传感器将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机和控制器，从而形成整个系统的大闭环。
本发明的有益效果为：
本发明可以将多种传感器融合测量进行地面仿真验证，适用于各种飞行器的导航制导与控制技术的模拟测试。
本发明给出一种能够覆盖惯性组合、磁场、星敏、风速等信息的多源信息融合飞行器巡航仿真装置及方法，原理简单，工程实现性强。
附图说明
图1为本发明基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置的结构示意图。
图中的附图标记，1为三维平动运动机构，2为三维转动运动机构，3为惯性组合，4为动力学与运动学仿真机，5为控制器，6为磁屏蔽室，7为无磁三轴转台，8为磁探测传感器，9为磁场产生装置，10为星敏感器，11为星图模拟装置，12为桁架，13为气浮球轴承，14为气浮球，15为侧风传感器，16为位姿传感器，17为侧风模拟装置，18为仿真上位机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1所示，本实施例所涉及的一种基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置，包括：三维平动运动机构1、三维转动运动机构2、惯性组合3、动力学与运动学仿真机4、控制器5、磁屏蔽室6、无磁三轴转台7、磁探测传感器8、磁场产生装置9、星敏感器10、星图模拟装置11、桁架12、气浮球轴承13、气浮球14、侧风传感器15、位姿传感器16、侧风模拟装置17和仿真上位机18；
其中，仿真上位机18、动力学与运动学仿真机4和控制器5通过光纤网络相连，三维转动运动机构2安装在三维平动运动机构1上，所述三维转动运动机构2上安装惯性组合3，三维平动运动机构1和三维转动运动机构2接收动力学与运动学仿真机4给出的运动指令，带动惯性组合3在空间中运行，惯性组合3将测量的数据传输给动力学与运动学仿真机4和控制器5实现闭环；
无磁三轴转台7安装在磁屏蔽室6内，磁探测传感器8安装在无磁三轴转台7的内环轴的承载盘上，磁场产生装置9安装在磁屏蔽室6内，磁场产生装置9接收动力学与运动学仿真机4给出的当前飞行器所处位置的磁场信息，磁探测传感器8可以将该信息反馈给动力学与运动学仿真机4和控制器5形成闭环；
星敏感器10安装在三维转动运动机构2的承载盘上，和星图模拟装置11面对面安装，星图模拟装置11接收动力学与运动学仿真机4给出的当前飞行器所处位置信息并产生相应的星图，星敏感器10根据星图将测得的位置姿态信息反馈给动力学与运动学仿真机4和控制器5形成闭环；
安装在地基上的桁架12上吊挂一套气浮球轴承13，气浮球14倒装在气浮球轴承13中，气浮球14的下端挂装侧风传感器15和位姿传感器16，侧风模拟装置17接收动力学与运动学仿真机4给出的侧风信息，侧风传感器15和位姿传感器16将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机4和控制器5形成闭环。
所述三维平动运动机构1由X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构组成，三维转动运动机构2整体安装在三维平动运动机构1的Z向运动机构的承载盘上。
所述三维转动运动机构2为一个三轴转台，由内环轴、中环轴和外环轴组成，内环轴上安装飞行器的惯性组合3。
所述磁屏蔽室6用于将空间磁场屏蔽。
所述磁场产生装置9基于三轴亥姆霍兹线圈及相应的程控恒流源构建，能够在局部空间内产生指定的磁场。
一种基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤一：仿真上位机18、动力学与运动学仿真机4和控制器5通过光纤网络相连，动力学与运动学仿真机4接收仿真上位机18给出的初始条件和开始仿真的指令后计算相关数据，
步骤二：动力学与运动学仿真机4将轨道位置信息传输给三维平动运动机构1、磁场产生装置9、星图模拟装置11和侧风模拟装置17，将姿态信息传输给三维转动运动机构2和无磁三轴转台7，后者根据位置经计算后产生相应的运动位移、磁场强度、星图、不同大小的侧风以及转动角度；
步骤三：安装在三维转动运动机构2承载盘上的惯性组合3和星敏感器10将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机4，安装在无磁三轴转台7内环承载盘上的磁探测传感器8将测得的磁信息反馈给动力学与运动学仿真机4，安装在气浮球14挂杆上的侧风传感器15和位姿传感器16将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机4和控制器5，从而形成整个系统的大闭环。
实施例1
如图1所示，三维平动运动机构1由X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构组成，三维转动运动机构2整体安装在三维平动运动机构1的Z向运动机构的承载盘上，三维转动运动机构2由一个三轴转台实现，由内环轴、中环轴和外环轴组成，内环轴上安装飞行器的惯性组合3，三维平动运动机构1和三维转动运动机构2接收动力学与运动学仿真机4给出的运动指令，带动惯性组合3在空间中运行，惯性组合3将测量的数据传输给动力学与运动学仿真机4和控制器5实现闭环。
磁屏蔽室6用于将空间磁场屏蔽，无磁三轴转台7安装在磁屏蔽室6内，磁探测传感器8安装在该无磁三轴转台7的内环轴的承载盘上，磁场产生装置9基于三轴亥姆霍兹线圈及相应的程控恒流源构建，能够在局部空间内产生指定的磁场。磁场产生装置9接收动力学与运动学仿真机4给出的当前飞行器所处位置的磁场信息即当前姿轨信息，磁探测传感器8可以将该信息反馈给动力学与运动学仿真机4和控制器5形成闭环。
星敏感器10安装在三维转动运动机构2的承载盘上，和星图模拟装置11面对面安装，星图模拟装置11接收动力学与运动学仿真机4给出的控制指令即当前飞行器所处位置信息并产生相应的星图，星敏感器10根据星图将测得的位置姿态信息反馈给动力学与运动学仿真机4和控制器5形成闭环。
安装在地基上的桁架12上吊挂一套气浮球轴承13，气浮球14倒装在气浮球轴承13中，气浮球14的下端挂装侧风传感器15和位姿传感器16，侧风模拟装置17接收动力学与运动学仿真机4给出的侧风信息，侧风传感器15和位姿传感器16将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机4和控制器5形成闭环。
实施例过程如下：仿真上位机18、动力学与运动学仿真机4和控制器5通过光纤网络相连，动力学与运动学仿真机4接收仿真上位机18给出的初始条件和开始仿真的指令后计算相关数据，并将轨道位置信息传输给三维平动运动机构1、磁场产生装置9、星图模拟装置11、侧风模拟装置17，将姿态信息传输给三维转动运动机构2、无磁三轴转台7，后者根据位置经计算后产生相应的运动位移、磁场强度、星图、不同大小的侧风、以及转动角度；安装在三维转动运动机构2承载盘上的惯性组合3和星敏感器10将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机4，安装在无磁三轴转台7内环承载盘上的磁探测传感器8将测得的磁信息反馈给动力学与运动学仿真机4，安装在气浮球14挂杆上的侧风传感器15和位姿传感器16将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机4和控制器5，从而形成整个系统的大闭环。
该装置可以将多种传感器融合测量并能够覆盖惯性组合、磁场、星敏、风速等信息进行地面仿真验证，可以通过该装置发现方案设计中的问题，还能对算法性能进行分析、验证，原理简单，工程实现性强。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置，其特征在于，包括：三维平动运动机构(1)、三维转动运动机构(2)、惯性组合(3)、动力学与运动学仿真机(4)、控制器(5)、磁屏蔽室(6)、无磁三轴转台(7)、磁探测传感器(8)、磁场产生装置(9)、星敏感器(10)、星图模拟装置(11)、桁架(12)、气浮球轴承(13)、气浮球(14)、侧风传感器(15)、位姿传感器(16)、侧风模拟装置(17)和仿真上位机(18)；
其中，仿真上位机(18)、动力学与运动学仿真机(4)和控制器(5)通过光纤网络相连，三维转动运动机构(2)安装在三维平动运动机构(1)上，所述三维转动运动机构(2)上安装惯性组合(3)，三维平动运动机构(1)和三维转动运动机构(2)接收动力学与运动学仿真机(4)给出的运动指令，带动惯性组合(3)在空间中运行，惯性组合(3)将测量的数据传输给动力学与运动学仿真机(4)和控制器(5)实现闭环；
无磁三轴转台(7)安装在磁屏蔽室(6)内，磁探测传感器(8)安装在无磁三轴转台(7)的内环轴的承载盘上，磁场产生装置(9)安装在磁屏蔽室(6)内，磁场产生装置(9)接收动力学与运动学仿真机(4)给出的当前飞行器所处位置的磁场信息，磁探测传感器(8)可以将该信息反馈给动力学与运动学仿真机(4)和控制器(5)形成闭环；
星敏感器(10)安装在三维转动运动机构(2)的承载盘上，和星图模拟装置(11)面对面安装，星图模拟装置(11)接收动力学与运动学仿真机(4)给出的当前飞行器所处位置信息并产生相应的星图，星敏感器(10)根据星图将测得的位置姿态信息反馈给动力学与运动学仿真机(4)和控制器(5)形成闭环；
安装在地基上的桁架(12)上吊挂一套气浮球轴承(13)，气浮球(14)倒装在气浮球轴承(13)中，气浮球(14)的下端挂装侧风传感器(15)和位姿传感器(16)，侧风模拟装置(17)接收动力学与运动学仿真机(4)给出的侧风信息，侧风传感器(15)和位姿传感器(16)将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机(4)和控制器(5)形成闭环。
2.根据权利要求1所述的基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置，其特征在于，所述三维平动运动机构(1)由X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构组成，三维转动运动机构(2)整体安装在三维平动运动机构(1)的Z向运动机构的承载盘上。
3.根据权利要求1所述的基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置，其特征在于，所述三维转动运动机构(2)为一个三轴转台，由内环轴、中环轴和外环轴组成，内环轴上安装飞行器的惯性组合(3)。
4.根据权利要求1所述的基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置，其特征在于，所述磁屏蔽室(6)用于将空间磁场屏蔽。
5.根据权利要求1所述的基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置，其特征在于，所述磁场产生装置(9)基于三轴亥姆霍兹线圈及相应的程控恒流源构建，能够在局部空间内产生指定的磁场。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的基于多源信息融合的飞行器导航控制技术仿真装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：仿真上位机(18)、动力学与运动学仿真机(4)和控制器(5)通过光纤网络相连，动力学与运动学仿真机(4)接收仿真上位机(18)给出的初始条件和开始仿真的指令后计算相关数据；
步骤二：动力学与运动学仿真机(4)将轨道位置信息传输给三维平动运动机构(1)、磁场产生装置(9)、星图模拟装置(11)和侧风模拟装置(17)，将姿态信息传输给三维转动运动机构(2)和无磁三轴转台(7)，后者根据位置经计算后产生相应的运动位移、磁场强度、星图、不同大小的侧风以及转动角度；
步骤三：安装在三维转动运动机构(2)承载盘上的惯性组合(3)和星敏感器(10)将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机(4)，安装在无磁三轴转台(7)内环承载盘上的磁探测传感器(8)将测得的磁信息反馈给动力学与运动学仿真机(4)，安装在气浮球(14)挂杆上的侧风传感器(15)和位姿传感器(16)将测得的信息反馈给动力学与运动学仿真机(4)和控制器(5)，从而形成整个系统的大闭环。
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