CN111856964B - 半实物仿真环境时延测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半实物仿真环境时延测量系统及方法，所述系统包含仿真机、组合导航装置、转台、舵系统和控制装置；所述控制装置用于接收预设指令，根据所述预设指令生成舵控指令并输出；以及，将输出舵控指令的时间点与接收到姿态角信号的时间点比较，根据比较结果获得信号时延；所述舵系统与所述控制装置相连，用于根据所述舵控指令偏转生成舵控反信号；所述仿真机用于根据所述舵控反信号，通过预设飞行器模拟方程获得飞行器姿态运动信息，根据所述飞行器姿态运动信息生成转台指令；所述转台根据所述转台指令进行对应运动；所述组合导航装置设于所述转台上，用于获取跟随所述转台运动过程中敏感到的姿态角信号。

Description

半实物仿真环境时延测量系统及方法

技术领域

本发明涉及飞行控制领域，尤指一种半实物仿真环境时延测量系统及方法。

背景技术

和常规的飞行器相比，高超声速飞行器飞行高度和飞行马赫数跨度范围更大，飞行环境更加复杂，气动特性变化更加剧烈，呈现出宽域、多态和耦合特点；而且为了保证突防效果、精确命中目标等需求，高超声速飞行器机动大，飞行器快时变特征显著。而另一方面放宽静稳定性设计技术能够较大幅度地提高导弹机动性、飞行速度、飞行斜距，减轻结构质量和翼展尺寸。以高超声速或超声速飞行的飞行器，由于飞行空域大、速度变化范围宽，在飞行过程中静稳定性变化较大，在某些飞行状态下弹体是静不稳定的。

从控制角度来看，高超声速静不稳定飞行器是一个快时变、强耦合、强非线性的受控对象，必须要设计足够高的快速性，才能保证控制系统稳定性和控制精度，但相对而言过高的快速性会导致控制系统相角裕度偏低，此时信息处理和信号传输带来的时延就会对控制系统稳定性产生很大影响。以某回路带宽4Hz为例，20ms的通讯延时即会带来28.8°的相角滞后，这对于稳定裕度本身就不大的高超声速飞行器来说影响很大。因此必须对半实物仿真环境时延进行测量，并根据时延结果对控制系统的裕度进行研究与考核。

发明内容

本发明目的在于提供一种半实物仿真环境时延测量系统及方法，予以较为真实反映半实物仿真环境中设备通讯、接口机转发和信息处理产生的综合时延，从而为控制系统设计与验证提供支撑。

为达上述目的，本发明所提供的半实物仿真环境时延测量系统，所述系统包含仿真机、组合导航装置、转台、舵系统和控制装置；所述控制装置用于接收预设指令，根据所述预设指令生成舵控指令并输出；以及，将输出舵控指令的时间点与接收到姿态角信号的时间点比较，根据比较结果获得信号时延；所述舵系统与所述控制装置相连，用于根据所述舵控指令偏转生成舵控反信号；所述仿真机用于根据所述舵控反信号，通过预设飞行器模拟方程获得飞行器姿态运动信息，根据所述飞行器姿态运动信息生成转台指令；所述转台根据所述转台指令进行对应运动；所述组合导航装置设于所述转台上，用于获取跟随所述转台运动过程中敏感到的姿态角信号。

在上述半实物仿真环境时延测量系统中，优选的，所述仿真机还包含数学模组，所述数学模组用于根据所述舵控反信号通过预设的飞行器六自由度运动方程的积分运算获得飞行器姿态运动信息；或，利用所述舵控反信号进行气动力和气动力矩的计算，根据计算结果更新所述飞行器六自由度运动方程。

在上述半实物仿真环境时延测量系统中，优选的，所述系统还包含舵系统接口机，所述舵系统接口机分别与所述舵系统和所述仿真机相连，用于将所述舵系统生成的所述舵控反信号输入至所述仿真机。

在上述半实物仿真环境时延测量系统中，优选的，所述系统还包含惯导接口机，所述惯导接口机分别与所述组合导航装置和所述控制装置相连，用于将所述组合导航装置在随转台运转过程中敏感到的姿态角信号输出至所述控制装置。

本发明还提供一种半实物仿真环境时延测量方法，所述方法包含：通过控制装置接收预设指令，根据所述预设指令生成舵控指令；根据所述舵控指令控制舵系统偏转生成舵控反信号；根据所述舵控反信号通过预设飞行器模拟方程获得飞行器姿态运动信息，根据所述飞行器姿态运动信息生成转台指令；通过所述转台指令驱动转台执行对应运动，并采集设置于转台上跟随转台运动的组合导航装置在运动过程中敏感到的姿态角信号；将控制装置输出舵控指令的时间点与接收到姿态角信号的时间点比较，根据比较结果获得信号时延。

在上述半实物仿真环境时延测量方法中，优选的，根据所述舵控反信号通过预设飞行器模拟方程获得飞行器姿态运动信息包含：根据所述舵控反信号通过预设的飞行器六自由度运动方程的积分运算获得飞行器姿态运动信息。

在上述半实物仿真环境时延测量方法中，优选的，采集设置于转台上跟随转台运动的组合导航装置在运动过程中敏感到的姿态角信号还包含：所述控制装置根据所述姿态角信号中的速度信息、位置信息和姿态信息按预设规则生成舵控指令，将所述舵控指令发送至舵系统，由舵系统根据所述舵控指令生成舵控反信号。

在上述半实物仿真环境时延测量方法中，优选的，所述方法还包含：利用舵控反信号进行气动力和气动力矩的计算，根据计算结果更新所述飞行器六自由度运动方程。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

本发明的有益技术效果在于：综合考虑了各设备信息处理和信号传输的综合时延，该系统及方法通过在搭建半实物仿真环境中控制系统设备和仿真设备之间的电气连接关系，通过比对综控机发出信号和绕整个环节流转后的输出信号，以获取半实物仿真环境的综合时延，从而为控制系统设计和分析提供支撑；该系统及方法简单易行，可以为飞行器在半实物仿真试验环境中进行设备之间的通讯时延测量提供借鉴。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例所提供的半实物仿真环境时延测量系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例所提供的半实物仿真环境时延测量系统的应用结构示意图；

图3为本发明一实施例所提供的半实物仿真环境时延测量系统中各设备的测试流程示意图；

图4为本发明一实施例所提供的测试结果示意图；

图5为本发明一实施例所提供的半实物仿真环境时延测量方法的流程示意图；

图6为本发明一实施例所提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

请参考图1所示，本发明所提供的半实物仿真环境时延测量系统，所述系统适用于导弹或者飞行器在半实物仿真试验环境中由于测量设备通讯、接口机转发和信息处理产生的综合时延测量，具体包含仿真机、组合导航装置、转台、舵系统和控制装置；所述控制装置用于接收预设指令，根据所述预设指令生成舵控指令并输出；以及，将输出舵控指令的时间点与接收到姿态角信号的时间点比较，根据比较结果获得信号时延；所述舵系统与所述控制装置相连，用于根据所述舵控指令偏转生成舵控反信号；所述仿真机用于根据所述舵控反信号，通过预设飞行器模拟方程获得飞行器姿态运动信息，根据所述飞行器姿态运动信息生成转台指令；所述转台根据所述转台指令进行对应运动；所述组合导航装置设于所述转台上，用于获取跟随所述转台运动过程中敏感到的姿态角信号。其中，所述仿真机内的预设飞行器模拟方程可提前设置，也可通过迭代更新的方式获得，本发明将在后续实施例中详细说明，在此就不再一一解释。

在上述实施例中，所述仿真机还包含数学模组，所述数学模组用于根据所述舵控反信号通过预设的飞行器六自由度运动方程的积分运算获得飞行器姿态运动信息；或，利用所述舵控反信号进行气动力和气动力矩的计算，根据计算结果更新所述飞行器六自由度运动方程。在该实施例中，根据所述舵控反信号通过预设的飞行器六自由度运动方程的积分运算获得飞行器姿态运动信息主要适用于该飞行器六自由度运动方程已建立到符合标准可使用的状态下；而利用所述舵控反信号进行气动力和气动力矩的计算，根据计算结果更新所述飞行器六自由度运动方程则为该飞行器六自由度运动方程还未完善需要迭代更新时；当然实际工作中，飞行器六自由度运动方程的完善程度可由本领域相关技术人员根据实际需要选择设定，本发明在此就不再一一解释说明。

在实际工作中，上述实施例的舵系统与仿真机之间，组合导航装置与控制装置之间还分别包含舵系统接口机和惯导接口机，所述舵系统接口机分别与所述舵系统和所述仿真机相连，用于将所述舵系统生成的所述舵控反信号输入至所述仿真机；所述惯导接口机分别与所述组合导航装置和所述控制装置相连，用于将所述组合导航装置在随转台运转过程中敏感到的姿态角信号输出至所述控制装置。

为便于理解本发明所提供的上述半实物仿真环境时延测量系统，以下通过实际使用中的系统工作流程为例，对上述各实施例做整体说明，本领域相关技术人员当可知，该实施例仅为便于理解本发明所提供的上述各实施例，并不对其做进一步限定。

在实际工作中，上述半实物仿真环境时延测量系统使用流程主要分搭建和测量两步；

其中，搭建过程具体如下：

请参考图2所示，以某飞行器型号为例，半实物仿真设备包括惯导、综控机(控制装置)、舵系统、仿真机和接口机，采用RS422串口通讯；仿真机完成飞行器六自由度运动方程的积分运算，向转台输出飞行器姿态运动信息，驱动转台做相应转动。惯导敏感到飞行器姿态发送给接口机，接口机将速度、位置和姿态信息组合后发送给综控机，综控机根据控制律生成舵控指令，并控制舵系统舵面偏转；仿真机根据舵系统的舵反信息进行气动力和气动力矩的计算，继续更新飞行器六自由度运动方程，从而飞行器姿态、速度、位置等信息发生变化，至此完成一个解算周期；以此通过迭代累加，可有效调整所述飞行器六自由度运动方程，直到飞行器六自由度运动方程满足工作人员的测试需求为止；为便于操作，该半实物仿真环境时延测量系统可如图2 的方式连接，即综控机分别与舵系统和接口计算机1相连，并通过RS422与接口计算机2通信连接；舵系统和组合导航系统与接口计算机2通信连接；接口计算机2 与仿真机相连；仿真机与转台控制柜光纤连接，转台控制柜与转台相连；组合导航系统放置与转台上并与接口计算机1相连。

在搭建完成后，所述半实物仿真环境时延测量系统的测量流程如下：

根据上述半实物仿真环境下个环节接口关系，对仿真机和接口机软件做少量更改进行专项延迟测试，具体可参考图3所示，采用的测试方法原理为：综控机将一组正弦信号作为舵控指令发送给舵系统；舵系统将接收到的舵控指令再返回给舵系统接口机；舵系统接口机将收到的舵控反信号通过光纤网络发送给仿真机，仿真机将舵控反信号作为转台指令发送给转台；惯导随转台运动，将敏感到的姿态角信号通过惯导接口机发送给综控机。通过对比综控机发出的舵控信号和收到的姿态角信号的时间差，即可得到半实物仿真环境条件下综合信号延迟；通过测试后，实际测试结果如图4 所示，综控机发出的舵控信号和收到的姿态角信号的时间差约30ms。

请参考图5所示，本发明还提供一种半实物仿真环境时延测量方法，所述方法包含：S501通过控制装置接收预设指令，根据所述预设指令生成舵控指令；S502根据所述舵控指令控制舵系统偏转生成舵控反信号；S503根据所述舵控反信号通过预设飞行器模拟方程获得飞行器姿态运动信息，根据所述飞行器姿态运动信息生成转台指令；S504通过所述转台指令驱动转台执行对应运动，并采集设置于转台上跟随转台运动的组合导航装置在运动过程中敏感到的姿态角信号；S505将控制装置输出舵控指令的时间点与接收到姿态角信号的时间点比较，根据比较结果获得信号时延。其中，根据所述舵控反信号通过预设飞行器模拟方程获得飞行器姿态运动信息包含：根据所述舵控反信号通过预设的飞行器六自由度运动方程的积分运算获得飞行器姿态运动信息。

在本发明一实施例中，还包含飞行器六自由度运动方程调教过程，具体的，在采集设置于转台上跟随转台运动的组合导航装置在运动过程中敏感到的姿态角信号阶段，还包含：所述控制装置根据所述姿态角信号中的速度信息、位置信息和姿态信息按预设规则生成舵控指令，将所述舵控指令发送至舵系统，由舵系统根据所述舵控指令生成舵控反信号。其后，再仿真机利用舵控反信号进行气动力和气动力矩的计算，根据计算结果更新所述飞行器六自由度运动方程。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

本发明的有益技术效果在于：综合考虑了各设备信息处理和信号传输的综合时延，该系统及方法通过在搭建半实物仿真环境中控制系统设备和仿真设备之间的电气连接关系，通过比对综控机发出信号和绕整个环节流转后的输出信号，以获取半实物仿真环境的综合时延，从而为控制系统设计和分析提供支撑；该系统及方法简单易行，可以为飞行器在半实物仿真试验环境中进行设备之间的通讯时延测量提供借鉴。

如图6所示，该计算机设备600还可以包括：通信模块110、输入单元120、音频处理单元130、显示器160、电源170。值得注意的是，计算机设备600也并不是必须要包括图6中所示的所有部件；此外，计算机设备600还可以包括图6中没有示出的部件，可以参考现有技术。

如图6所示，中央处理器100有时也称为控制器或操作控件，可以包括微处理器或其他处理器装置和/或逻辑装置，该中央处理器100接收输入并控制计算机设备600 的各个部件的操作。

其中，存储器140，例如可以是缓存器、闪存、硬驱、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器或其它合适装置中的一种或更多种。可储存上述与失败有关的信息，此外还可存储执行有关信息的程序。并且中央处理器100可执行该存储器140 存储的该程序，以实现信息存储或处理等。

输入单元120向中央处理器100提供输入。该输入单元120例如为按键或触摸输入装置。电源170用于向计算机设备600提供电力。显示器160用于进行图像和文字等显示对象的显示。该显示器例如可为LCD显示器，但并不限于此。

该存储器140可以是固态存储器，例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、SIM卡等。还可以是这样的存储器，其即使在断电时也保存信息，可被选择性地擦除且设有更多数据，该存储器的示例有时被称为EPROM等。存储器140还可以是某种其它类型的装置。存储器140包括缓冲存储器141(有时被称为缓冲器)。存储器140可以包括应用/功能存储部142，该应用/功能存储部142用于存储应用程序和功能程序或用于通过中央处理器100执行计算机设备600的操作的流程。

存储器140还可以包括数据存储部143，该数据存储部143用于存储数据，例如联系人、数字数据、图片、声音和/或任何其他由计算机设备使用的数据。存储器140 的驱动程序存储部144可以包括计算机设备的用于通信功能和/或用于执行计算机设备的其他功能(如消息传送应用、通讯录应用等)的各种驱动程序。

通信模块110即为经由天线111发送和接收信号的发送机/接收机110。通信模块(发送机/接收机)110耦合到中央处理器100，以提供输入信号和接收输出信号，这可以和常规移动通信终端的情况相同。

基于不同的通信技术，在同一计算机设备中，可以设置有多个通信模块110，如蜂窝网络模块、蓝牙模块和/或无线局域网模块等。通信模块(发送机/接收机)110 还经由音频处理器130耦合到扬声器131和麦克风132，以经由扬声器131提供音频输出，并接收来自麦克风132的音频输入，从而实现通常的电信功能。音频处理器 130可以包括任何合适的缓冲器、解码器、放大器等。另外，音频处理器130还耦合到中央处理器100，从而使得可以通过麦克风132能够在本机上录音，且使得可以通过扬声器131来播放本机上存储的声音。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等) 上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种半实物仿真环境时延测量系统，其特征在于，所述系统包含仿真机、组合导航装置、转台、舵系统和控制装置；

所述控制装置用于接收预设指令，根据所述预设指令生成舵控指令并输出；以及，将输出舵控指令的时间点与接收到姿态角信号的时间点比较，根据比较结果获得信号时延；

所述舵系统与所述控制装置相连，用于根据所述舵控指令偏转生成舵控反信号；

所述仿真机用于根据所述舵控反信号，通过预设飞行器模拟方程获得飞行器姿态运动信息，根据所述飞行器姿态运动信息生成转台指令；

所述转台根据所述转台指令进行对应运动；

所述组合导航装置设于所述转台上，用于获取跟随所述转台运动过程中敏感到的姿态角信号；

所述仿真机还包含数学模组，所述数学模组用于根据所述舵控反信号通过预设的飞行器六自由度运动方程的积分运算获得飞行器姿态运动信息；或，利用所述舵控反信号进行气动力和气动力矩的计算，根据计算结果更新所述飞行器六自由度运动方程；

所述系统还包含舵系统接口机，所述舵系统接口机分别与所述舵系统和所述仿真机相连，用于将所述舵系统生成的所述舵控反信号输入至所述仿真机；

所述系统还包含惯导接口机，所述惯导接口机分别与所述组合导航装置和所述控制装置相连，用于将所述组合导航装置在随转台运转过程中敏感到的姿态角信号输出至所述控制装置。

2.一种半实物仿真环境时延测量方法，其特征在于，采用权利要求1所述的半实物仿真环境时延测量系统，所述方法包含：

通过控制装置接收预设指令，根据所述预设指令生成舵控指令；

根据所述舵控指令控制舵系统偏转生成舵控反信号；

根据所述舵控反信号通过预设飞行器模拟方程获得飞行器姿态运动信息，根据所述飞行器姿态运动信息生成转台指令；

通过所述转台指令驱动转台执行对应运动，并采集设置于转台上跟随转台运动的组合导航装置在运动过程中敏感到的姿态角信号；

将控制装置输出舵控指令的时间点与接收到姿态角信号的时间点比较，根据比较结果获得信号时延。

3.根据权利要求2所述的半实物仿真环境时延测量方法，其特征在于，根据所述舵控反信号通过预设飞行器模拟方程获得飞行器姿态运动信息包含：

根据所述舵控反信号通过预设的飞行器六自由度运动方程的积分运算获得飞行器姿态运动信息。

4.根据权利要求2所述的半实物仿真环境时延测量方法，其特征在于，采集设置于转台上跟随转台运动的组合导航装置在运动过程中敏感到的姿态角信号还包含：所述控制装置根据所述姿态角信号中的速度信息、位置信息和姿态信息按预设规则生成舵控指令，将所述舵控指令发送至舵系统，由舵系统根据所述舵控指令生成舵控反信号。

5.根据权利要求4所述的半实物仿真环境时延测量方法，其特征在于，所述方法还包含：利用舵控反信号进行气动力和气动力矩的计算，根据计算结果更新所述飞行器六自由度运动方程。

6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求2至5任一所述方法。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求2至5任一所述方法的计算机程序。