CN111624896B - 一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统，包括目标运动仿真计算机、目标特性模拟器和目标运动装置，目标特性模拟器和目标运动装置分别与目标运动仿真计算机通过串口通讯连接并进行信息传递，目标运动仿真计算机基于simulink实时仿真平台，配备了专用的simulink工具箱，包含了目标模型、弹目相对运动关系计算模块、目标特性计算模块、端点位置计算模块，目标特性模拟器与目标运动装置端点处固连，目标运动装置包括运动控制系统和端点运动平台。对应于不同类型的导引头，目标特性模拟器由不同类型的信号产生装置来充当，信号产生装置安装到目标运动装置的端点处，在专用的simulink工具箱中选择相应类型的目标特性计算模块与目标特性模拟器相匹配，增强系统通用性和便捷性。

Description

一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统

技术领域

本发明涉及半实物仿真技术领域，具体为一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统。

背景技术

为了尽可能模拟真实作战场景的目标，通常目标模拟系统在半实物仿真系统中的主要作用是：

实时模拟导引头光轴/电轴与弹目视线之间的关系；

实时模拟导引头接收到的目标实际的能量变化；

实时模拟在导引头上“看到”的目标的“大小和形状”。

在实际的作战场景中，导弹和目标的相对位置时刻在变化，其弹目视线角也因此时刻在变化。在实验室环境下，导引头安装在三轴转台上，三轴转台是固定不动的。由于实验室环境空间有限，三轴转台模拟的仅仅是导弹的姿态变化，不能模拟导弹在惯性坐标系下的实时位置，因此“弹目视线角的实时模拟”需要另寻它法。先在计算机中计算出弹目视线角的变化，再将这一信息传递到目标控制系统。根据目标控制系统根据导引头和目标运动控制装置的空间相对位置关系，控制“目标”运动到对应点，使“目标”直接复现出以导引头为参考的弹目视线角的变化。另外，弹目距离的时刻变化，会使得导引头接收到的目标反射能量和目标“大小和形状”信息发生一定变化。这些“目标特性”的模拟则通过目标特性模拟器来实现。

目前国内外的制导兵器半实物仿真系统中，其目标模拟的方法主要有：针对激光和电视导引头的投影漫反射法；针对电视导引头的大屏幕显示法；针对激光导引头的直接投射法，针对雷达导引头的微波暗室+目标阵列的目标模拟方法等。这些方法都只是针对其相应信号类型的特定目标模拟系统，不能达到“系统通用”的效果，而且这些系统都存在通用性差、设备成本高、系统建立工作量大和难度大等的缺点，不利于半实物仿真系统的快速建立，为此我们提出一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统，包括目标运动仿真计算机、目标特性模拟器和目标运动装置，所述目标特性模拟器和目标运动装置分别与目标运动仿真计算机通过串口通讯连接并进行信息传递，所述目标运动仿真计算机基于simulink实时仿真平台，配备了专用的simulink工具箱，包含了目标模型、弹目相对运动关系计算模块、目标特性计算模块、端点位置计算模块，所述目标特性模拟器与目标运动装置端点处固连，所述目标运动装置包括运动控制系统和端点运动平台。

优选的一种实施案例，所述专用的simulink工具箱包含了目标飞行方案和目标特性计算模型两大模块，所述目标飞行方案包括爬升方案、平飞方案、盘旋方案、俯冲方案以及自定义方案。

优选的一种实施案例，所述目标模型从配套的专用的simulink工具箱中选择目标的一种飞行方案，作为目标模型输出。

优选的一种实施案例，所述弹目相对关系计算模块包括弹目距离计算模块、视线仰角计算模块和视线偏角计算模块，所述弹目相对关系计算模块获取导弹和目标的运动信息进行处理，并输出弹目相对关系信息，即弹目距离、弹目视线仰角和视线偏角。

优选的一种实施案例，所述端点位置计算模块包括“目标”位置计算模块、坐标系相对关系确定模块和坐标转换模块，计算目标运动装置的端点在目标运动装置的用户坐标系下的坐标。

优选的一种实施案例，所述目标特性计算模块包括目标可见光信号特性计算模块、目标红外信号特性计算模块、目标激光信号特性计算模块和目标雷达信号特性计算模块，由专用的simulink工具箱提供选择，处理因弹目距离变化导致的导引头所“看到”的目标信号的变化，将处理后的信号传递给目标特性模拟器，控制目标特性模拟器产生相应的“目标”信号。

优选的一种实施案例，所述运动控制系统包括运动控制器、伺服电机驱动器1、伺服电机驱动器2、和伺服电机1和伺服电机2，所述运动控制器接收目标运动仿真计算机的控制信号，并处理控制信号发送给伺服电机驱动器，由伺服电机驱动器根据控制信号驱动伺服电机运动，所述端点运动平台的端点平面运动控制方式包括直角坐标式、极坐标式和关节式。

优选的一种实施案例，所述目标特性模拟器包括红外辐射器、激光发射器、雷达发射机和可见光成像模拟器，与导引头类型相匹配。

一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统的工作过程，包括如下步骤：

S1、目标运动仿真计算机先将目标模型解算出目标的运动信息后，与获取的导弹位置信息一起传递到弹目相对关系计算模块；

S2、弹目相对关系计算模块获取到弹目相对位置信息后，计算出弹目距离和视线角,再把弹目距离信息传递给目标特性计算模块，同时把视线角信息传递给端点位置计算模块；

S3、目标特性计算模块接收到弹目距离信息，一方面根据目标模拟信号的能量在大气中传播的衰减规律计算出导引头实际所接收到的能量强度，再换算出目标特性模拟器所需要发出的功率，并将“所需发出功率”信息传递到目标特性模拟器；

S4、另一方面，目标特性计算模块利用弹目距离信息，根据不同的模型，计算出目标在导引头“眼中”的“几何形状和大小”，并将目标的“几何形状和大小”信息传递到相应类型的目标特性模拟器，控制目标特性模拟器产生符合“几何形状和大小”要求的信号；

S5、目标特性模拟器接受到“所需发出功率”信息和“几何形状和大小”信息，然后按照“功率”和“几何”要求，产生符合特性要求的目标信号，供导引头或许“目标的信息。这就完成了目标特性的模拟任务；

S6、端点计算模块获取到弹目视线角信息后，根据实验室中导引头和目标运动装置的空间相对位置关系计算出端点相对于导引头的空间位置，再将此空间位置转换成目标运动装置的用户坐标下的坐标，并将此坐标信息通过串口通讯传递到目标运动装置中，以控制目标运动装置的运动；

S7、目标运动装置接收到坐标信息，运动控制系统的运动控制器按照坐标要求，分别控制电机1和电机2的转动，使得目标运动装置端点运动到预定的空间位置，这就完成了弹目视线角的模拟任务。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、具有通用性强，便于系统的快速建立，使用/更换的简便性等优点，除此之外通用性目标模拟系统还具有低成本、思路简单、易操作等特点；

2、成本低廉、思路直接、操作简单的目标运动模拟装置，搭载不同信号类型的专用的目标特性模拟器的目标模拟系统。目标运动装置可精准复现弹目视线角的变化，同时目标特性模拟器可近乎真实地模拟出导引头所“看到”的目标信息，即能量强度变化、光线亮暗程度以及光点或成像的形状大小。这样的目标模拟系统即克服了传统的激光/电视屏幕投射法的目标模拟的单一性和漫反射屏幕对光线的散光性，也克服了直接透射法中五轴转台和阵列雷达目标模拟的设备高成本；

3、本目标模拟系统除了服务于科研的精确制导半实物仿真系统，也能更方便得应用于高校的制导与控制的相关课程的实验教学当中。

附图说明

图1为本发明目标模拟系统总体设计方案示意图；

图2为本发明专用的simulink工具箱框图；

图3为本发明目标模型框图；

图4为本发明目标特性计算模块框图；

图5为本发明弹目相对关系计算模块框图；

图6为本发明端点位置计算模块框图；

图7为本发明目标运动装置框图；

图8为本发明目标特性模拟器框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统，包括目标运动仿真计算机、目标特性模拟器和目标运动装置，目标特性模拟器和目标运动装置分别与目标运动仿真计算机通过串口通讯连接并进行信息传递。

目标运动仿真计算机基于simulink实时仿真平台，配备了专用的simulink工具箱，包含了目标模型、弹目相对运动关系计算模块、目标特性计算模块、端点位置计算模块，目标模型负责产生预定的目标运动信息；弹目相对运动关系计算模块负责计算和处理导弹和目标的空间相对位置关系，包括弹目距离和弹目视线角；目标特性计算模块主要负责计算和处理导引头所“看到”的目标反射信号的特征；而端点位置计算模块主要负责根据实验室环境下目标运动装置端点与导引头空间关系计算出目标运动装置端点所需运动到的位置。

目标特性模拟器与目标运动装置端点处固连，随端点运动，可根据导引头信号类型的不同，分别由激光发射器、可见光成像模拟器、红外辐射器、雷达发射机等充当，各种信号产生装置可很方便地在目标特性模拟器上进行安装和拆卸，目标特性模拟器主要负责产生导引头所“看到”的目标反射信号。

目标运动装置包括运动控制系统和端点运动平台，主要负责控制端点运动到预期位置，使得导引头——端点视线角关系与导引头——目标视线角关系相同，目标运动装置的端点，连接着目标特性模拟器，并与其在端点运动平台可随意运动。

进一步的，如图2，专用的simulink工具箱包含了目标飞行方案和目标特性计算模型两大模块，目标飞行方案包括爬升方案、平飞方案、盘旋方案、俯冲方案以及自定义方案，目标飞行方案主要是提供给目标模型，作为其的输出模型，而目标特性计算模型则是与导引头类型和目标特性模拟器相匹配，当目标特性模拟器由不同的目标信号产生装置充当时，控制目标信号产生装置的目标特性计算模型也不同，现常见的几种目标特性计算模型可从专用的simulink工具箱中直接拉取。

进一步的，如图3，目标模型从配套的专用的simulink工具箱中选择目标的一种飞行方案，作为目标模型输出。

进一步的，如图5，弹目相对关系计算模块包括弹目距离计算模块、视线仰角计算模块和视线偏角计算模块，弹目相对关系计算模块获取导弹和目标的运动信息进行处理，并输出弹目相对关系信息，即弹目距离、弹目视线仰角和视线偏角。

进一步的，如图6，端点位置计算模块包括“目标”位置计算模块、坐标系相对关系确定模块和坐标转换模块，计算目标运动装置的端点在目标运动装置的用户坐标系下的坐标，端点位置计算模块接收到弹目视线角信息后，首先计算出目标在目标运动装置端点运动平台所在铅锤面的位置，此位置是在导引头坐标系下的表示，所谓导引头坐标系定义为以导引头中心为坐标原点；x轴为导引头水平放置并正对端点运动平台所在铅锤面并指向该铅锤面；y轴为垂直于x轴，并指向天向；z轴与x轴、y轴相互垂直并构成右手系，再根据导引头坐标系与目标运动装置的用户坐标系的空间位置关系，将“目标”在导引头坐标系下的坐标转换为用户坐标系下的坐标，转换后的坐标就是目标运动装置控制端点所需到达的位置，而导引头坐标系与目标运动装置的用户坐标系的空间位置关系取决于端点运动平台尺寸和和弹目视线角取值范围，以及用户坐标系原点的空间位置。

进一步的，如图4，目标特性计算模块包括目标可见光信号特性计算模块、目标红外信号特性计算模块、目标激光信号特性计算模块和目标雷达信号特性计算模块，由专用的simulink工具箱提供选择，处理因弹目距离变化导致的导引头所“看到”的目标信号的变化，将处理后的信号传递给目标特性模拟器，控制目标特性模拟器产生相应的“目标”信号，当导引头类型为电视导引头时，目标特性模拟器由可见光成像模拟器来充当，并从专用的simulink工具箱中匹配目标可见光信号特性计算模块来模拟目标的光学特性；当导引头类型为红外引头时，目标特性模拟器由红外辐射器来充当，并从专用的simulink工具箱中匹配目标红外信号特性计算模块来模拟目标的光学特性；当导引头类型为激光导引头时，目标特性模拟器由激光发射器来充当，并从专用的simulink工具箱中匹配目标激光信号特性计算模块来模拟目标的光学特性；当导引头类型为雷达导引头时，目标特性模拟器由雷达发射机来充当，并从专用的simulink工具箱中匹配目标雷达信号特性计算模块来模拟目标的点学特性。

进一步的，如图7，运动控制系统包括运动控制器、伺服电机驱动器1、伺服电机驱动器2、和伺服电机1和伺服电机2，运动控制器接收目标运动仿真计算机的控制信号，并处理控制信号发送给伺服电机驱动器，由伺服电机驱动器根据控制信号驱动伺服电机运动，端点运动平台的端点平面运动控制方式包括直角坐标式、极坐标式和关节式，其中，对于直角坐标式，端点运动平台可由X方向运动执行机构和Y方向运动执行机构组成，二者相互垂直连接，构成平面直角坐标。通过二者的配合运动，拖动端点在平面做任意曲线运动；对于极坐标式，端点运动平台也可由R径向运动执行机构和θ周向运动执行机构组成，二者构成极坐标，通过二者的配合运动，也可拖动端点在平面做任意曲线运动；对于关节式，端点运动平台至少由两个关节和两直杆组成，通过控制两个关节转动的角度，从而实现端点的任意曲线运动。

进一步的，如图8，目标特性模拟器包括红外辐射器、激光发射器、雷达发射机和可见光成像模拟器，与导引头类型相匹配。

一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统的工作过程，包括如下步骤：

S1、目标运动仿真计算机先将目标模型解算出目标的运动信息后，与获取的导弹位置信息一起传递到弹目相对关系计算模块；

S2、弹目相对关系计算模块获取到弹目相对位置信息后，计算出弹目距离和视线角,再把弹目距离信息传递给目标特性计算模块，同时把视线角信息传递给端点位置计算模块；

S3、目标特性计算模块接收到弹目距离信息，一方面根据目标模拟信号的能量在大气中传播的衰减规律计算出导引头实际所接收到的能量强度，再换算出目标特性模拟器所需要发出的功率，并将“所需发出功率”信息传递到目标特性模拟器；

S4、另一方面，目标特性计算模块利用弹目距离信息，根据不同的模型，计算出目标在导引头“眼中”的“几何形状和大小”，并将目标的“几何形状和大小”信息传递到相应类型的目标特性模拟器，控制目标特性模拟器产生符合“几何形状和大小”要求的信号；

S5、目标特性模拟器接受到“所需发出功率”信息和“几何形状和大小”信息，然后按照“功率”和“几何”要求，产生符合特性要求的目标信号，供导引头或许“目标的信息。这就完成了目标特性的模拟任务；

S6、端点计算模块获取到弹目视线角信息后，根据实验室中导引头和目标运动装置的空间相对位置关系计算出端点相对于导引头的空间位置，再将此空间位置转换成目标运动装置的用户坐标下的坐标，并将此坐标信息通过串口通讯传递到目标运动装置中，以控制目标运动装置的运动；

S7、目标运动装置接收到坐标信息，运动控制系统的运动控制器按照坐标要求，分别控制电机1和电机2的转动，使得目标运动装置端点运动到预定的空间位置，这就完成了弹目视线角的模拟任务。

目标特性模拟器和目标运动装分别完成目标的特性模拟和弹目视线角模拟任务之后，形成目标的模拟信息。目标模拟信息被导引头敏感到，并结合导弹的信息传递到仿真计算机中，仿真计算机形成制导指令，并把制导指令传递控制系统计算机，控制系统计算机经过计算形成控制指令，从而控制舵机。舵机的偏转，使得导弹姿态发生变化，从而改变导弹的受力情况进而控制导弹的运动轨迹。这样就形成了指导与控制半实物仿真的闭环回路。

综上所述，首先，经过上述的改进，相对于传统的目标模拟系统，为克服目标模拟系统的单一性，可通过不同类型的目标特性模拟器并从专用的simulink工具箱中匹配相应的目标特性计算模型，产生了符合导引头类型的目标信号，达到了一个系统多用的效果，进而增强了目标模拟系统的通用性。其次，本目标模拟系统思路简单直接，直接模拟视线角的变化和目标特性变化。对于不同信号类型的目标特性模拟器，可直接在目标运动装置端点处更换即可，无需再改变实验环境和目标模拟系统的安装参数。这对于半实物仿真系统的快速建立很有帮助。另外，对应于不同类型的导引头，目标特性模拟器可由不同类型的信号产生装置来充当，且这些信号产生装置可以很简便地安装到目标运动装置的端点处，同时在专用的simulink工具箱中选择相应类型的目标特性计算模块与目标特性模拟器相匹配，这大大地在增强系统通用性的同时保证了系统使用的便捷性。

此通用性目标模拟系统，具有通用性强，便于系统的快速建立，使用/更换的简便性等优点，除此之外通用性目标模拟系统还具有低成本、思路简单、易操作等特点。

另外，本目标模拟系统除了服务于科研的精确制导半实物仿真系统，也能更方便得应用于高校的制导与控制的相关课程的实验教学当中。由于本系统的通用性广，能满足高校在实验教学中的多种导引头演示实验的需求。对于不同类型的导引头，在目标运动装置端点处更换目标特性模拟器后，在目标运动仿真计算机中，只需要在专用的simulink工具箱中选择相应的目标特性模块即可开始仿真。不需要重新更换目标模拟系统，操作简单，使得学生把更多的精力集中在实验过程，而不是集中于理解和操作目标模拟系统，便于对学生的实验教学的开展。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统，包括目标运动仿真计算机、目标特性模拟器和目标运动装置，其特征在于：所述目标特性模拟器和目标运动装置分别与目标运动仿真计算机通过串口通讯连接并进行信息传递，所述目标运动仿真计算机基于simulink实时仿真平台，配备了专用的simulink工具箱，包含了目标模型、弹目相对运动关系计算模块、目标特性计算模块、端点位置计算模块，所述目标特性模拟器与目标运动装置端点处固连，所述目标运动装置包括运动控制系统和端点运动平台，所述运动控制系统包括运动控制器、伺服电机驱动器1、伺服电机驱动器2、和伺服电机1和伺服电机2，所述运动控制器接收目标运动仿真计算机的控制信号，并处理控制信号发送给伺服电机驱动器，由伺服电机驱动器根据控制信号驱动伺服电机运动，所述端点运动平台的端点平面运动控制方式包括直角坐标式、极坐标式和关节式，所述目标特性模拟器包括红外辐射器、激光发射器、雷达发射机和可见光成像模拟器，与导引头类型相匹配；

基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统的工作过程，包括如下步骤：

S1、目标运动仿真计算机先将目标模型解算出目标的运动信息后，与获取的导弹位置信息一起传递到弹目相对关系计算模块；

S2、弹目相对关系计算模块获取到弹目相对位置信息后，计算出弹目距离和视线角,再把弹目距离信息传递给目标特性计算模块，同时把视线角信息传递给端点位置计算模块；

S3、目标特性计算模块接收到弹目距离信息，一方面根据目标模拟信号的能量在大气中传播的衰减规律计算出导引头实际所接收到的能量强度，再换算出目标特性模拟器所需要发出的功率，并将“所需发出功率”信息传递到目标特性模拟器；

S4、另一方面，目标特性计算模块利用弹目距离信息，根据不同的模型，计算出目标在导引头“眼中”的“几何形状和大小”，并将目标的“几何形状和大小”信息传递到相应类型的目标特性模拟器，控制目标特性模拟器产生符合“几何形状和大小”要求的信号；

S5、目标特性模拟器接受到“所需发出功率”信息和“几何形状和大小”信息，然后按照“功率”和“几何”要求，产生符合特性要求的目标信号，供导引头或许“目标的信息； 这就完成了目标特性的模拟任务；

S6、端点计算模块获取到弹目视线角信息后，根据实验室中导引头和目标运动装置的空间相对位置关系计算出端点相对于导引头的空间位置，再将此空间位置转换成目标运动装置的用户坐标下的坐标，并将此坐标信息通过串口通讯传递到目标运动装置中，以控制目标运动装置的运动；

S7、目标运动装置接收到坐标信息，运动控制系统的运动控制器按照坐标要求，分别控制电机1和电机2的转动，使得目标运动装置端点运动到预定的空间位置，这就完成了弹目视线角的模拟任务。

2.根据权利要求1所述的一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统，其特征在于：所述专用的simulink工具箱包含了目标飞行方案和目标特性计算模型两大模块，所述目标飞行方案包括爬升方案、平飞方案、盘旋方案、俯冲方案以及自定义方案。

3.根据权利要求1所述的一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统，其特征在于：所述目标模型从配套的专用的simulink工具箱中选择目标的一种飞行方案，作为目标模型输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统，其特征在于：所述弹目相对关系计算模块包括弹目距离计算模块、视线仰角计算模块和视线偏角计算模块，所述弹目相对关系计算模块获取导弹和目标的运动信息进行处理，并输出弹目相对关系信息，即弹目距离、弹目视线仰角和视线偏角。

5.根据权利要求1所述的一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统，其特征在于：所述端点位置计算模块包括“目标”位置计算模块、坐标系相对关系确定模块和坐标转换模块，计算目标运动装置的端点在目标运动装置的用户坐标系下的坐标。

6.根据权利要求1所述的一种基于simulink运动特性建模的通用目标模拟系统，其特征在于：所述目标特性计算模块包括目标可见光信号特性计算模块、目标红外信号特性计算模块、目标激光信号特性计算模块和目标雷达信号特性计算模块，由专用的simulink工具箱提供选择，处理因弹目距离变化导致的导引头所“看到”的目标信号的变化，将处理后的信号传递给目标特性模拟器，控制目标特性模拟器产生相应的“目标”信号。

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