CN112947121B - 舰载机着舰控制半物理仿真系统及方法 - Google Patents

舰载机着舰控制半物理仿真系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及舰载机着舰控制半物理仿真系统及方法，系统包括仿真计算机、控制器硬件和视景仿真平台；仿真计算机用于舰载机、舰载机着舰环境数字仿真，生成鲁棒控制算法进行舰载机着舰鲁棒控制数字仿真；仿真计算机将鲁棒控制算法C代码编译至控制器硬件，通过控制器硬件进行舰载机着舰鲁棒控制物理仿真验证；视景仿真平台通过TCP/IP网络通讯协议与仿真计算机进行数据交换，视景仿真平台通过三维场景演示舰载机着舰鲁棒控制全过程，实现舰载机着舰鲁棒控制可视化视景仿真。本发明的舰载机着舰控制半物理仿真系统及方法，设计着舰鲁棒控制律，并通过仿真验证与三维场景演示分析整个着舰过程。

Description

舰载机着舰控制半物理仿真系统及方法
技术领域
本发明涉及飞行控制技术领域，具体设计一种舰载机着舰控制半物理仿真系统及方法。
背景技术
舰载机着舰的控制器设计与研究是当前研究的热点话题。在以往的着舰控制研究中，通常只是针对线性模型或非线性模型，设计着舰的线性或非线性控制器，并进行数字仿真验证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种舰载机着舰控制半物理仿真系统及方法，设计着舰鲁棒控制律，并通过仿真验证与三维场景演示分析整个着舰过程。
为了达到上述的目的，本发明提供一种舰载机着舰控制半物理仿真系统，包括仿真计算机、控制器硬件和视景仿真平台；所述仿真计算机用于舰载机、舰载机着舰环境数字仿真，生成鲁棒控制算法进行舰载机着舰鲁棒控制数字仿真；所述控制器硬件通过串口与所述仿真计算机连接，所述仿真计算机将鲁棒控制算法C代码编译至所述控制器硬件，通过所述控制器硬件进行舰载机着舰鲁棒控制物理仿真验证；所述视景仿真平台通过TCP/IP网络通讯协议与所述仿真计算机进行数据交换，所述视景仿真平台通过三维场景演示舰载机着舰鲁棒控制全过程，实现舰载机着舰鲁棒控制可视化视景仿真。
上述舰载机着舰控制半物理仿真系统，其中，所述鲁棒控制算法包括纵向鲁棒算法和侧向鲁棒算法；纵向鲁棒算法采用Hdot反馈方法，即在纵向高度稳定回路引入高度微分信号；侧向鲁棒算法通过副翼控制滚转转弯以修正侧向偏离，方向舵只起阻尼和协调作用，侧向鲁棒算法采用ydot反馈方法，即在侧向稳定回路引入侧向偏离微分信号。
上述舰载机着舰控制半物理仿真系统，其中，所述鲁棒控制算法具体为：
纵向：
式中，kp、ki、kH、/>为控制器参数，θc为俯仰角指令，Hc为高度指令，θ为俯仰角信号，H为高度信号，/>为高度微分信号，/>为俯仰角微分信号；
侧向：副翼通道控制律：
方向舵通道控制律：
式中，kφ、kψ、ky、/>为控制器参数，φc为滚转角指令，ψc为偏航角指令，yc为侧向偏离指令，/>为侧向偏离微分信号，φ为滚转角信号，ψ为偏航角信号，y为侧向偏离信号，/>为滚转角微分信号，/>为偏航角微分信号。
上述舰载机着舰控制半物理仿真系统，其中，所述舰载机数字仿真通过舰载机运动学/动力学模型、传感器模型、作动器模型实现；舰载机着舰环境包括舰尾流环境和甲板运动，所述舰载机着舰环境数字仿真通过舰尾流模型、甲板运动模型实现。
本发明提供的另一技术方案是一种舰载机着舰控制半物理仿真方法，包括：
1)建立舰载机数学模型；
2)建立舰载机着舰环境数学模型；
3)利用等效鲁棒飞控技术设计舰载机着舰控制算法，进行舰载机着舰鲁棒控制数字仿真；
所述舰载机着舰控制算法，纵向采用Hdot反馈方法，即在纵向高度稳定回路引入高度微分信号；侧向用ydot反馈方法，通过副翼控制滚转转弯以修正侧向偏离，方向舵只起阻尼和协调作用，即在侧向稳定回路引入侧向偏离微分信号；
4)舰载机着舰控制算法C代码编译至控制器硬件，进行舰载机着舰鲁棒控制物理仿真验证；
5)舰载机着舰鲁棒控制三维可视化视景仿真。
上述舰载机着舰控制半物理仿真方法，其中，所述步骤1)和步骤2)中，仿真计算机利用Matlab中的Simulink模块库和M文件建立舰载机数学模型和舰载机着舰环境数学模型；所述舰载机数学模型包括舰载机运动学/动力学模型、传感器模型和作动器模型；所述舰载机着舰环境数学模型包括舰尾流模型、甲板运动模型。
上述舰载机着舰控制半物理仿真方法，其中，所述仿真计算机综合舰载机数学模型、舰载机着舰环境数学模型和舰载机着舰控制算法进行舰载机着舰鲁棒控制数字仿真。
上述舰载机着舰控制半物理仿真方法，其中，舰载机着舰控制算法C代码编译：在MATLAB/Simulin环境下生成舰载机着舰控制算法后，利用基于Simulink的代码自动生成环境RTW，直接从Simulink模块中产生优化的、可移植的和个性化的嵌入式C代码。
上述舰载机着舰控制半物理仿真方法，其中，所述步骤5)中，视景仿真平台接收仿真计算机传来的飞行数据、从仿真计算机的模型库中导入飞机模型、场景模型、声音模型，驱动舰载机模型按照飞行数据在场景中进行模拟飞行。
上述舰载机着舰控制半物理仿真方法，其中，所述步骤5)中，仿真计算机采用external方式，将飞行数据通过通信模块发送给FlightGear仿真模块，实现舰载机着舰过程的三维可视化视景仿真，舰载机着舰过程的三维可视化视景仿真由视景仿真平台展现。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
(1)设计的纵向和侧向着舰控制律具有较好的抗舰尾流干扰特性，鲁棒性较强，并通过生成C代码部署至控制器硬件，将数字仿真进行硬件实现；
(2)对舰尾流环境和甲板等环境进行数字仿真，更加贴近实际着舰环境；
(3)三维场景演示整个着舰过程，可以验证着舰控制器方案在复杂着舰环境中的鲁棒性和精确性，效果更加直观。
附图说明
本发明的舰载机着舰控制半物理仿真系统及方法由以下的实施例及附图给出。
图1为本发明较佳实施例的舰载机着舰控制半物理仿真系统的组成结构图。
图2为本发明较佳实施例的舰载机着舰控制半物理仿真方法的流程图。
图3为本发明较佳实施例中舰载机着舰控制半物理仿真系统三维可视场景及着舰效果图。
具体实施方式
以下将结合图1～图3对本发明的舰载机着舰控制半物理仿真系统及方法作进一步的详细描述。
本发明的特点在于，在着舰控制研究中设计着舰鲁棒控制律，且不仅仅停留在数字仿真验证上，还包括物理仿真验证及可视化视景仿真，综合分析着舰控制设计的鲁棒性。
图1所示为本发明较佳实施例的舰载机着舰控制半物理仿真系统的组成结构图。
参见图1，本实施例的舰载机着舰控制半物理仿真系统包括仿真计算机、控制器硬件和视景仿真平台；
所述仿真计算机用于舰载机、舰载机着舰环境数字仿真，生成鲁棒控制算法进行舰载机着舰鲁棒控制数字仿真；
所述控制器硬件通过串口与所述仿真计算机连接，所述仿真计算机将鲁棒控制算法C代码编译至所述控制器硬件，通过所述控制器硬件进行舰载机着舰鲁棒控制物理仿真验证；
所述视景仿真平台通过TCP/IP网络通讯协议与所述仿真计算机进行数据交换，所述视景仿真平台通过三维场景演示舰载机着舰鲁棒控制全过程，实现舰载机着舰鲁棒控制可视化视景仿真。
所述舰载机数字仿真通过舰载机运动学/动力学模型、传感器模型、作动器模型实现；舰载机着舰环境包括舰尾流环境和甲板运动等，所述舰载机着舰环境数字仿真通过舰尾流模型、甲板运动模型等实现。
所述鲁棒控制算法包括纵向鲁棒算法和侧向鲁棒算法；纵向鲁棒算法采用Hdot反馈方法，即在纵向高度稳定回路引入高度微分信号(即Hdot信号)；侧向鲁棒算法采用ydot反馈方法，即在侧向稳定回路引入侧向偏离微分信号(即ydot信号)。
本实施例中，所述控制器硬件基于STM32F407处理器，集成MPU6050惯性测量单元和MS5611气压芯片等必要的传感器。
图2所示为本发明较佳实施例的舰载机着舰控制半物理仿真方法的流程图。
参见图2，本实施例的舰载机着舰控制半物理仿真方法包括：
1)建立舰载机数学模型
本实施例利用Matlab中的Simulink模块库和M文件建立舰载机数学模型，所述舰载机数学模型包括舰载机运动学/动力学模型、传感器模型和作动器模型；
2)建立舰载机着舰环境数学模型
本实施例利用Matlab中的Simulink模块库和M文件建立舰载机着舰环境数学模型，所述舰载机着舰环境数学模型包括舰尾流模型、甲板运动模型等；
3)利用等效鲁棒飞控技术设计舰载机着舰控制算法(即在Matlab平台下设计舰载机着舰控制算法)，进行舰载机着舰鲁棒控制数字仿真
舰载机着舰过程中会遇到舰尾流扰动，为了抵抗舰尾流干扰，本发明在舰载机着舰控制中采用等效鲁棒飞控技术，设计鲁棒飞控算法；
本实施例中，所述鲁棒飞控算法，纵向采用Hdot反馈方法，即在纵向高度稳定回路引入高度微分信号(即Hdot信号)；侧向主要采用ydot反馈方法，通过副翼控制滚转转弯以修正侧向偏离，方向舵只是起阻尼和协调作用，即在侧向稳定回路引入侧向偏离微分信号(即ydot信号)；具体为：
纵向：
式中，kp、ki、kH、/>为控制器参数，θc为俯仰角指令，Hc为高度指令，θ为俯仰角信号，H为高度信号，/>为高度微分信号，/>为俯仰角微分信号；
侧向：副翼通道控制律：
方向舵通道控制律：
式中，kφ、kψ、ky、/>为控制器参数，φc为滚转角指令，ψc为偏航角指令，yc为侧向偏离指令，/>为侧向偏离微分信号，φ为滚转角信号，ψ为偏航角信号，y为侧向偏离信号，/>为滚转角微分信号，/>为偏航角微分信号。
侧向控制律设计思路主要来源于纵向控制律设计，其侧向偏离微分信号可通过惯导系统获得，因此在实际中可进行操作；
综合舰载机数学模型、舰载机着舰环境数学模型和舰载机着舰控制算法即可进行舰载机着舰鲁棒控制数字仿真；
步骤1)～步骤3)及舰载机着舰鲁棒控制数字仿真均通过仿真计算机实现；
4)舰载机着舰控制算法C代码编译至控制器硬件，进行舰载机着舰鲁棒控制物理仿真验证
舰载机着舰控制算法C代码编译：在MATLAB/Simulin环境下生成舰载机着舰控制算法后，利用基于Simulink的代码自动生成环境RTW，直接从Simulink模块中产生优化的、可移植的和个性化的嵌入式C代码；该嵌入式C代码通过串口输出至控制器硬件，由控制器硬件实现舰载机着舰鲁棒控制物理仿真验证；
为了满足半物理仿真要求，控制器硬件应符合实时通讯和仿真步长的要求；
5)舰载机着舰鲁棒控制三维可视化视景仿真
视景仿真平台接收仿真计算机传来的飞行数据、从仿真计算机的模型库中导入飞机模型、场景模型、声音模型，驱动舰载机模型按照飞行数据在场景中进行模拟飞行；
本实施例中，仿真计算机采用external方式，将飞行数据(舰载机的位置和姿态信息)通过通信模块发送给FlightGear仿真模块，实现舰载机着舰过程的三维可视化视景仿真，舰载机着舰过程的三维可视化视景仿真由视景仿真平台展现，如图3所示；
所述飞机模型包括舰载机运动学/动力学模型、传感器模型、作动器模型；所述场景模型包括舰尾流模型、甲板运动模型等；
FlightGear仿真模块使用SimGear作为仿真引擎，OpenGL进行图像处理，OpenAL提供音效，是一个结构复杂的通用飞行模拟软件；
从图3可知，本实施例的舰载机着舰控制半物理仿真系统能直观显示控制器控制舰载机着舰整个过程。
上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.舰载机着舰控制半物理仿真系统，其特征在于，包括仿真计算机、控制器硬件和视景仿真平台；
所述仿真计算机用于舰载机、舰载机着舰环境数字仿真，生成鲁棒控制算法进行舰载机着舰鲁棒控制数字仿真；
所述控制器硬件通过串口与所述仿真计算机连接，所述仿真计算机将鲁棒控制算法C代码编译至所述控制器硬件，通过所述控制器硬件进行舰载机着舰鲁棒控制物理仿真验证；
所述视景仿真平台通过TCP/IP网络通讯协议与所述仿真计算机进行数据交换，所述视景仿真平台通过三维场景演示舰载机着舰鲁棒控制全过程，实现舰载机着舰鲁棒控制可视化视景仿真；
所述鲁棒控制算法具体为：
纵向：
式中，kp、ki、kH、/>为控制器参数，θc为俯仰角指令，Hc为高度指令，θ为俯仰角信号，H为高度信号，/>为高度微分信号，/>为俯仰角微分信号；
侧向：副翼通道控制律：
方向舵通道控制律：
式中，kφ、kψ、ky、/>为控制器参数，φc为滚转角指令，ψc为偏航角指令，yc为侧向偏离指令，/>为侧向偏离微分信号，φ为滚转角信号，ψ为偏航角信号，y为侧向偏离信号，为滚转角微分信号，/>为偏航角微分信号；
所述控制器硬件基于STM32F407处理器，集成必要的传感器，所述传感器包括MPU6050惯性测量单元和MS5611气压芯片；
所述舰载机着舰控制算法C代码编译：在MATLAB/Simulin环境下生成舰载机着舰控制算法后，利用基于Simulink的代码自动生成环境RTW，直接从Simulink模块中产生优化的、可移植的和个性化的嵌入式C代码。
2.如权利要求1所述的舰载机着舰控制半物理仿真系统，其特征在于，所述鲁棒控制算法包括纵向鲁棒算法和侧向鲁棒算法；纵向鲁棒算法采用Hdot反馈方法，即在纵向高度稳定回路引入高度微分信号；侧向鲁棒算法通过副翼控制滚转转弯以修正侧向偏离，方向舵只起阻尼和协调作用，侧向鲁棒算法采用ydot反馈方法，即在侧向稳定回路引入侧向偏离微分信号。
3.如权利要求1所述的舰载机着舰控制半物理仿真系统，其特征在于，所述舰载机数字仿真通过舰载机运动学/动力学模型、传感器模型、作动器模型实现；舰载机着舰环境包括舰尾流环境和甲板运动，所述舰载机着舰环境数字仿真通过舰尾流模型、甲板运动模型实现。
4.舰载机着舰控制半物理仿真方法，其特征在于，采用如权利要求1至3中任一权利要求所述的舰载机着舰控制半物理仿真系统实施，所述方法包括：
1)建立舰载机数学模型；
2)建立舰载机着舰环境数学模型；
3)利用等效鲁棒飞控技术设计舰载机着舰控制算法，进行舰载机着舰鲁棒控制数字仿真；
所述舰载机着舰控制算法，纵向采用Hdot反馈方法，即在纵向高度稳定回路引入高度微分信号；侧向用ydot反馈方法，通过副翼控制滚转转弯以修正侧向偏离，方向舵只起阻尼和协调作用，即在侧向稳定回路引入侧向偏离微分信号；
4)舰载机着舰控制算法C代码编译至控制器硬件，进行舰载机着舰鲁棒控制物理仿真验证；
5)舰载机着舰鲁棒控制三维可视化视景仿真。
5.如权利要求4所述的舰载机着舰控制半物理仿真方法，其特征在于，所述步骤1)和步骤2)中，仿真计算机利用Matlab中的Simulink模块库和M文件建立舰载机数学模型和舰载机着舰环境数学模型；所述舰载机数学模型包括舰载机运动学/动力学模型、传感器模型和作动器模型；所述舰载机着舰环境数学模型包括舰尾流模型、甲板运动模型。
6.如权利要求5所述的舰载机着舰控制半物理仿真方法，其特征在于，所述仿真计算机综合舰载机数学模型、舰载机着舰环境数学模型和舰载机着舰控制算法进行舰载机着舰鲁棒控制数字仿真。
7.如权利要求5所述的舰载机着舰控制半物理仿真方法，其特征在于，舰载机着舰控制算法C代码编译：在MATLAB/Simulin环境下生成舰载机着舰控制算法后，利用基于Simulink的代码自动生成环境RTW，直接从Simulink模块中产生优化的、可移植的和个性化的嵌入式C代码。
8.如权利要求5所述的舰载机着舰控制半物理仿真方法，其特征在于，所述步骤5)中，视景仿真平台接收仿真计算机传来的飞行数据、从仿真计算机的模型库中导入飞机模型、场景模型、声音模型，驱动舰载机模型按照飞行数据在场景中进行模拟飞行。
9.如权利要求8所述的舰载机着舰控制半物理仿真方法，其特征在于，所述步骤5)中，仿真计算机采用external方式，将飞行数据通过通信模块发送给FlightGear仿真模块，实现舰载机着舰过程的三维可视化视景仿真，舰载机着舰过程的三维可视化视景仿真由视景仿真平台展现。
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