CN111258229A - 一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统 - Google Patents

一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统 Download PDF

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王志刚
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Abstract

本发明公开了一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统，属于航空自导深弹控制技术领域，结合真实的控制系统，即包括陀螺仪、控制模块、舵机及舵机组件，增加半实物仿真系统，包括通信模块、惯性测量组件、三轴转台、运动仿真参数解算模块以及装定模块；控制系统、通信模块、三轴转台以及装定模块组合形成深弹模拟弹体，对该深弹模拟弹体进行投放，并在投放过程中实现深弹控制策略，以三轴转台进行深弹运行姿态的模拟，以运动仿真参数解算模块进行深弹模拟弹体控制过程的运动仿真参数解算，在整个半实物仿真系统运行过程中，能够有效的模拟深弹工作环境和姿态变化，并将真实的控制系统直接参与仿真过程，提高了仿真结果的可靠性和置信度。

Description

一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统
技术领域
本发明涉及航空自导深弹控制技术领域，具体涉及一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统。
背景技术
深弹是打击潜艇的有效武器之一，因其价格低廉，可大量使用，且维护方便、作战方式灵活，可用于浅水、深海水域的反潜作战，适合直升机和固定翼飞机装在、携带、投放和使用。
控制系统是深弹的关键分系统之一，其主要功能是根据深弹搜索与攻击目标过程中的弹道要求控制弹体，使得弹体按照规定的弹道运动。对深弹的控制系统进行全弹道数学仿真和半实物仿真，全面评价弹体控制特性，可以为深弹设计即评价提供有力的决策依据。
仿真技术被引入武器装备研制已经有数十年的历史，在指导设计改进、验证装备性能方面发挥了重要的作用。其中半实物仿真是指在整个仿真回路中包含一部分硬件的仿真。与传统的纯数学仿真相比，半实物仿真在整个系统中接入了一部分实物，因此仿真结果往往具有很高的置信度；同时，由于部分真实的设备、产品参与了整个仿真过程，也更有助于对这部分硬件进行性能考察，从而使得部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验。
在深弹控制系统设计中引入半实物仿真，可以更全面的评价深弹的控制特性，为深弹控制系统设计及评价提供有力的依据，可以有效地提高系统设计的可靠性和研制质量，并降低系统的研制周期和研制经费。
然而目前在航空自导深弹控制系统的半实物仿真方案，均无法实现对航空自导深弹控制系统的真实客观的仿真，使得对航空自导深弹控制系统的仿真结果其可靠性差、置信度低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统，能够针对航空自导深弹控制系统进行客观、真实的半实物仿真。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统，针对控制系统进行半实物仿真控制，控制系统包括陀螺仪、控制模块、舵机及舵机组件。
半实物仿真系统包括通信模块、惯性测量组件、三轴转台、运动仿真参数解算模块以及装定模块。
控制系统与通信模块、三轴转台以及装定模块组成深弹模拟弹体。
三轴转台用于模拟深弹水下工作姿态，陀螺仪和惯性测量组件安装在三轴转台上，并保持陀螺仪坐标系、惯性测量组件坐标系以及三轴转台坐标系一致；则三轴转台的自身坐标系即为深弹模拟弹体坐标系。
装定模块连接外部装定器，从外部装定器处获取深弹装定参数，通过通信模块送入控制模块，控制模块获取深弹装定参数对深弹模拟弹体进行工作状态设定。
通信模块用于控制系统和半实物仿真系统之间进行信息交互。
预设投放点，构建投放坐标系。
装定模块，还用于将投放坐标系下的虚拟目标点的位置装定到惯性测量组件；惯性测量组件将投放坐标系下的虚拟目标点的位置转换到深弹模拟弹体坐标系下，并发送给控制模块。
将深弹模拟弹体在投放点进行投放。
陀螺仪实时获取三轴转台的角速率信息发送至控制模块。
控制模块按照预先设定控制周期执行深弹模拟弹体的控制过程，具体为：投放后，在当前控制周期内，获取深弹模拟弹体坐标系下的虚拟目标点的位置，并获取三轴转台的角速率信息作为深弹的角速率信息、以深弹模拟弹体坐标系下的虚拟目标点的位置作为目标，按照深弹控制策略，以控制深弹模拟弹体朝目标方向偏转为目的，产生操舵指令，操舵指令发送给舵机组件，进行操舵，并获取舵机的舵角反馈信息；控制周期内产生的舵角反馈信息通过通信模块发送至运动参数解算模块；预先设定的控制周期依据经验进行设定。
运动仿真参数解算模块采样当前控制周期内产生的舵角反馈信息，将舵角反馈信息引入深弹水动力数学仿真模型，解算出当前控制周期内的深弹模拟弹体姿态角，并发送到三轴转台，控制三轴转台按当前控制周期内的深弹模拟弹体姿态角进行偏转，以模拟深弹水下工作姿态的变化，则深弹模拟弹体坐标系发生变化。
惯性测量组件获取三轴转台的姿态变化，实时更新深弹弹体坐标系下的虚拟目标点的位置参数发送给控制模块进行下一控制周期内的深弹控制过程。
惯性测量组件测量获得投放坐标系下的深弹模拟弹体的位置信息，若在投放坐标系下，深弹模拟弹体的位置信息与虚拟目标点的位置达到一致，则发送控制结束指令至控制模块。
控制模块接收到控制结束指令之后，结束深弹模拟弹体的控制过程。
进一步地，装定模块，还用于将虚拟目标点的位置参数装定到惯性测量组件，具体为；
装定模块，获取外部输入的虚拟目标点的位置参数(xm,ym,zm)，(xm,ym,zm)为虚拟目标点在投放坐标系中的坐标；投放坐标系为以深弹投放点作为原点建立的空间坐标系。
将(xm,ym,zm)装定到惯性测量组件。
惯性测量组件将虚拟目标点的位置参数转换到深弹弹体坐标系下，具体为：
在深弹投放时刻，深弹弹体质心在投放坐标系中的坐标初值为(0，0，0)；深弹投放之后，在一个控制周期之后，深弹弹体运动到投放坐标系中的位置为 (xk,yk,zk)，深弹弹体姿态角为横滚角φk、偏航角ψk、俯仰角θk。
则惯性测量组件设定投放坐标系至弹体坐标系的转换矩阵为：
Figure 100002_1
惯性测量组件将(xm,ym,zm)转换为深弹弹体坐标系下的虚拟目标点的位置参数(x，y，z)：
Figure BDA0002323525890000042
其中
Figure BDA0002323525890000043
有益效果：
本发明提供的一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统，结合真实的控制系统，即包括陀螺仪、控制模块、舵机及舵机组件，增加半实物仿真系统，包括通信模块、惯性测量组件、三轴转台、运动仿真参数解算模块以及装定模块；控制系统与半实物仿真系统组合形成深弹模拟弹体，对该深弹模拟弹体进行投放，并在投放过程中实现深弹控制策略，以三轴转台进行深弹运行姿态的模拟，以运动仿真参数解算模块进行深弹模拟弹体控制过程的运动仿真参数解算，在整个半实物仿真系统运行过程中，能够有效的模拟深弹工作环境和姿态变化，并将真实的控制系统直接参与仿真过程，能够检验真实的控制系统中各个组部件软、硬件的性能，提高了仿真结果的可靠性和置信度，为控制系统综合性能检验提供更为接近真实和客观的依据。
附图说明
图1为本发明提供的一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统，其组成如图1所示，针对控制系统进行半实物仿真控制，控制系统包括陀螺仪、控制模块、舵机及舵机组件。
半实物仿真系统包括通信模块、惯性测量组件、三轴转台、运动仿真参数解算模块以及装定模块。
控制系统与通信模块、三轴转台以及装定模块组成深弹模拟弹体。
三轴转台用于模拟深弹水下工作姿态，陀螺仪和惯性测量组件安装在三轴转台上，并保持陀螺仪坐标系、惯性测量组件坐标系以及三轴转台坐标系一致；则三轴转台的自身坐标系即为深弹模拟弹体坐标系；
装定模块连接外部装定器，从外部装定器处获取深弹装定参数，其中深弹装定参数可以依据经验进行设定，本发明实施例中，深弹装定参数可以包括深度、工作频点、工作方式等。装定模块将深弹装定参数通过通信模块送入控制模块，控制模块获取深弹装定参数对深弹模拟弹体进行工作状态设定。
通信模块用于控制系统和半实物仿真系统之间进行信息交互。
预设投放点，构建投放坐标系；投放坐标系O0X0Y0Z0由如下方式确定：坐标原点O0与投放初始时刻的弹体质心重合，O0X0轴竖直向下，投放初始时刻航行提上直舵轴在水平面的投影为O0Y0轴，O0Z0轴由右手定则确定。
装定模块，还用于将投放坐标系下的虚拟目标点的位置装定到惯性测量组件。
本发明实施例中，装定模块将虚拟目标点的位置参数装定到惯性测量组件，具体为；
装定模块，获取外部输入的虚拟目标点的位置参数(xm,ym,zm)，(xm,ym,zm)为虚拟目标点在投放坐标系中的坐标。
将(xm,ym,zm)装定到惯性测量组件。
惯性测量组件将投放坐标系下的虚拟目标点的位置(xm,ym,zm)转换到深弹模拟弹体坐标系下，并发送给控制模块。
在深弹投放时刻，深弹弹体质心在投放坐标系中的坐标初值为(0，0，0)；深弹投放之后，在一个控制周期之后，深弹弹体运动到投放坐标系中的位置为 (xk,yk,zk)(该坐标可以通过惯性测量组件测量获得)，深弹弹体姿态角为横滚角φk、偏航角ψk、俯仰角θk。
则惯性测量组件设定投放坐标系至弹体坐标系的转换矩阵为：
Figure BDA0002323525890000061
惯性测量组件将(xm,ym,zm)转换为深弹弹体坐标系下的虚拟目标点的位置参数(x，y，z)：
Figure BDA0002323525890000062
其中
Figure BDA0002323525890000063
将深弹模拟弹体在投放点进行投放。
陀螺仪实时获取三轴转台的角速率信息发送至控制模块。
控制模块按照预先设定控制周期执行深弹模拟弹体的控制过程，具体为：投放后，在当前控制周期内，获取深弹模拟弹体坐标系下的虚拟目标点的位置，并获取三轴转台的角速率信息作为深弹的角速率信息、以深弹模拟弹体坐标系下的虚拟目标点的位置作为目标，按照深弹控制策略，以控制深弹模拟弹体朝目标方向偏转为目的，产生操舵指令，操舵指令发送给舵机组件，进行操舵，并获取舵机的舵角反馈信息；控制周期内产生的舵角反馈信息通过通信模块发送至运动参数解算模块；预先设定的控制周期依据经验进行设定。
本发明实施例中，控制模块可以是计算机，深弹控制策略可以采用结构PID 控制律进行分段控制，包括搜索段和导引段。其中搜索段以增加弹体阻尼、抑制弹体滚转角速度为控制目标，为自导系统提供稳定的工作平台；导引段以追踪目标为控制目标，控制深弹弹体姿态变化，使得深弹弹体朝向虚拟目标点运动，直至深弹弹体命中虚拟目标点。
运动仿真参数解算模块采样当前控制周期内产生的舵角反馈信息，将舵角反馈信息引入深弹水动力数学仿真模型，解算出当前控制周期内的深弹模拟弹体姿态角，并发送到三轴转台，控制三轴转台按当前控制周期内的深弹模拟弹体姿态角进行偏转，以模拟深弹水下工作姿态的变化，则深弹模拟弹体坐标系发生变化。
其中深弹水动力数学仿真模型采用目前已有的方法进行构建，例如可以根据水下航行器模型通常的推导方法，并结合深弹自身的工作特点，建立深弹水动力数学模型，并将该深弹水动力数学模型进行线性化之后得到俯仰、横滚和航向通道的输入输出传递函数，并加入三个通道的控制律即得到深弹水动力数学仿真模型。
惯性测量组件获取三轴转台的姿态变化，实时更新深弹弹体坐标系下的虚拟目标点的位置参数发送给控制模块进行下一控制周期内的深弹控制过程。
惯性测量组件测量获得投放坐标系下的深弹模拟弹体的位置信息，若在投放坐标系下，深弹模拟弹体的位置信息与虚拟目标点的位置达到一致，则运动仿真参数解算模块发送控制结束指令至控制模块。
控制模块接收到控制结束指令之后，结束深弹模拟弹体的控制过程。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种航空自导深弹控制系统半实物仿真系统，针对所述控制系统进行半实物仿真控制，其特征在于，所述控制系统包括陀螺仪、控制模块、舵机及舵机组件；
所述半实物仿真系统包括通信模块、惯性测量组件、三轴转台、运动仿真参数解算模块以及装定模块；
控制系统、通信模块、三轴转台以及装定模块组成深弹模拟弹体；
所述三轴转台用于模拟深弹水下工作姿态，所述陀螺仪和所述惯性测量组件安装在所述三轴转台上，并保持陀螺仪坐标系、惯性测量组件坐标系以及三轴转台坐标系一致；则三轴转台的自身坐标系即为深弹模拟弹体坐标系；
所述装定模块连接外部装定器，从所述外部装定器处获取深弹装定参数，通过所述通信模块送入所述控制模块，所述控制模块获取所述深弹装定参数对深弹模拟弹体进行工作状态设定；
所述通信模块用于所述控制系统和所述半实物仿真系统之间进行信息交互；
预设投放点，构建投放坐标系；
所述装定模块，还用于将投放坐标系下的虚拟目标点的位置装定到所述惯性测量组件；所述惯性测量组件将投放坐标系下的虚拟目标点的位置转换到深弹模拟弹体坐标系下，并发送给所述控制模块；
将所述深弹模拟弹体在所述投放点进行投放；
所述陀螺仪实时获取三轴转台的角速率信息发送至所述控制模块；
所述控制模块按照预先设定控制周期执行深弹模拟弹体的控制过程，具体为：投放后，在当前控制周期内，获取深弹模拟弹体坐标系下的虚拟目标点的位置，并获取所述三轴转台的角速率信息作为深弹的角速率信息、以深弹模拟弹体坐标系下的所述虚拟目标点的位置作为目标，按照深弹控制策略，以控制深弹模拟弹体朝目标方向偏转为目的，产生操舵指令，操舵指令发送给舵机组件，进行操舵，并获取舵机的舵角反馈信息；控制周期内产生的舵角反馈信息通过通信模块发送至运动参数解算模块；所述预先设定的控制周期依据经验进行设定；
所述运动仿真参数解算模块采样当前控制周期内产生的所述舵角反馈信息，将舵角反馈信息引入深弹水动力数学仿真模型，解算出当前控制周期内的深弹模拟弹体姿态角，并发送到三轴转台，控制三轴转台按当前控制周期内的深弹模拟弹体姿态角进行偏转，以模拟深弹水下工作姿态的变化，则深弹模拟弹体坐标系发生变化；
所述惯性测量组件获取三轴转台的姿态变化，实时更新深弹弹体坐标系下的虚拟目标点的位置参数发送给所述控制模块进行下一控制周期内的深弹控制过程；
所述惯性测量组件测量获得投放坐标系下的深弹模拟弹体的位置信息，若在投放坐标系下，深弹模拟弹体的位置信息与所述虚拟目标点的位置达到一致，则运动仿真参数解算模块发送控制结束指令至所述控制模块；
所述控制模块接收到所述控制结束指令之后，结束深弹模拟弹体的控制过程。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述装定模块，还用于将虚拟目标点的位置参数装定到所述惯性测量组件，具体为；
所述装定模块，获取外部输入的虚拟目标点的位置参数(xm,ym,zm)，(xm,ym,zm)为虚拟目标点在投放坐标系中的坐标；投放坐标系为以深弹投放点作为原点建立的空间坐标系；
将(xm,ym,zm)装定到所述惯性测量组件；
所述惯性测量组件将所述虚拟目标点的位置参数转换到深弹弹体坐标系下，具体为：
在深弹投放时刻，深弹弹体质心在所述投放坐标系中的坐标初值为(0，0，0)；深弹投放之后，在一个控制周期之后，深弹弹体运动到所述投放坐标系中的位置为(xk,yk,zk)，深弹弹体姿态角为横滚角φk、偏航角ψk、俯仰角θk；
则所述惯性测量组件设定投放坐标系至弹体坐标系的转换矩阵为：
Figure 1
所述惯性测量组件将(xm,ym,zm)转换为深弹弹体坐标系下的虚拟目标点的位置参数(x，y，z)：
Figure FDA0002323525880000032
其中
Figure FDA0002323525880000033
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