CN113342028A - 大型飞行器跟踪数字化仿真平台及其仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种大型飞行器跟踪数字化仿真平台及其仿真方法。所述仿真平台包括：用户界面层和数据层；所述用户界面层包括：参数设置层和参数输出展示层，数据层中包含大量的仿真模型，在仿真过程中，通过用户界面层进行参数设置，以及数据层中的仿真模型利用设置的参数进行仿真，最终输出仿真结果至参数输出展示层。采用本方法能够准确对跟踪算法进行评估，从而实现大型飞行器跟踪仿真。

Description

大型飞行器跟踪数字化仿真平台及其仿真方法
技术领域
本申请涉及仿真技术领域，特别是涉及一种大型飞行器跟踪数字化仿真平台及其仿真方法。
背景技术
随着感知技术和线控技术的发展，相较于传统人类驾驶员，自动驾驶飞行器能够实现长时间高精度的位置控制需求。并且，可以在存在干扰(如风切变等)的情况下，完成需求条件内的轨迹跟踪任务。
目前，用于大型飞机的跟踪技术仿真技术主要采用的是传统的命令行方式来实现，且所采用的跟踪技术与实际使用的跟踪算法并不相符，并且缺乏对应的算法评估模块，很难明确的对跟踪技术进行优劣性评价。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决无法准确对跟踪算法进行评估的大型飞行器跟踪数字化仿真平台及其仿真方法。
一种大型飞行器跟踪数字化仿真平台，所述仿真平台包括：
用户界面层和数据层；
所述用户界面层包括：参数设置层和参数输出展示层；
所述数据层包括：两个数据输入通道、待评估轨迹跟踪算法模块、控制系统数据模型、两个数据计算通道、六自由度数学模型以及导航解算模块；两个数据输入通道分别为高程位置速度信息输入通道和水平位置速度信息输入模块；两个数据计算通道分别舵面控制模块和油门控制模块；所述舵面控制模块包括：伺服机构模型和气动计算模型；所述油门控制模块包括：发动机模型；所述待评估轨迹跟踪算法模块中存储待评估轨迹跟踪算法；
所述参数设置层分别设置高程位置速度参数、水平位置速度参数、待评估轨迹跟踪算法的控制参数、控制系统数据模型的控制参数；
所述高程位置速度参数通过上一时刻仿真得到的高程位置速度，得到高程差参考信息，并将高程差参考信息输入所述控制系统数据模型；
所述水平位置速度参数输入待评估轨迹跟踪算法模块，通过所述待评估轨迹跟踪算法模块对所述水平位置速度参数和上一时刻仿真得到的水平位置速度进行解算，得到姿态角指令，并将所述姿态角指令输入所述控制系统数据模型；
所述控制系统数据模型包括：纵向控制通道、水平控制通道和地速控制通道；所述纵向控制通道用于处理所述高程差参考信息，所述水平控制通道和地速控制通道用于处理所述姿态角指令，所述控制系统数据模型输出三通道舵面控制指令至所述伺服机构模型，所述控制系统数据模型输出油门指令至所述发动机模型；所述伺服机构模型处理所述三通道舵面控制指令得到实际舵偏角，并将所述实际舵偏角输入至气动计算模型，从而得到三轴气动力与力矩，并输入至所述六自由度模型；所述发动机模型处理所述油门指令输出发动机推力，并输入至所述六自由度模型，所述六自由度模型根据所述三轴气动力与力矩和所述发动机推力进行解算，得到原始数据；
所述导航解算模块根据所述原始数据解算得到导航解算数据，所述导航解算数据包括：当前时刻高程位置速度和当前时刻水平位置速度；
所述三轴气动力与力矩、所述发动机推力、六自由度模型进行解算的过程参数和状态参数、所述导航解算模块进行解算的过程参数和状态参数均输出至参数输出展示层以进行可视化展示，从而可视化评估所述待评估轨迹跟踪算法。
在其中一个实施例中，所述数据层还包括：大气数据计算模型，用于输出大气参数，所述气动计算模型根据所述大气参数和所述实际舵偏角，输出三轴气动力与力矩。
在其中一个实施例中，还包括：所述参数设置层包括：航路点页面、初始条件页面、控制参数页面、风干扰页面、气动参数页面以及仿真设置页面；
所述航路点页面用于输入航路点信息，得到高程位置速度参数、水平位置速度参数；
所述初始条件页面用于设置仿真的初始条件；所述初始条件包括：惯性特性、初始位置、初始速度、初始姿态角和初始角速度；
所述控制参数页面用于设置仿真模型的控制参数；所述仿真模型包括：待评估轨迹跟踪算法模块和控制系统数据模型；所述待评估轨迹跟踪算法模块和控制系统数据模型均包括：姿态控制器、高度控制器、航线跟踪控制器和航速控制器；
所述风干扰页面用于对仿真模型包含的常值风、紊流、突风、风切变和风场模型的参数进行设置；
所述气动参数页面用于对所述气动计算模型的气动参数进行调整和设置；
所述仿真设置页面用于对仿真步长、仿真时长、更新周期和数据记录周期进行设置。
在其中一个实施例中，所述参数输出展示层包括：数据图线页面、状态显示页面以及指标分析页面；所述数据图线页面用于生成数据相对时间变化的曲线；所述状态显示页面用于在仿真时显示状态数据；所述指标分析页面用于按照设定的指标分析进行精度和有效性分析。
一种大型飞行器跟踪数字化仿真方法，包括：
载入仿真模型，并对仿真平台进行初始化；
设置航路，根据设置的航路执行仿真并更新用户界面层和数据层，得到仿真数据；
对所述仿真数据进行分析，并且可视化显示在所述更新用户界面层。
上述大型飞行器跟踪数字化仿真平台及其仿真方法，首先将待评估轨迹跟踪算法编写为计算机语言，存储在待评估轨迹跟踪算法模块中，从而作为仿真平台的底层数据驱动源，另一方面通过搭建用户界面层和数据层，数据层执行仿真数据的仿真、解算等，而用户界面层可以在仿真过程中实时观测或仿真后具体分析仿真结果，从而有利于判断评估轨迹跟踪算法的准确性与有效性。
附图说明
图1为一个实施例中大型飞行器跟踪数字化仿真平台的结构框图；
图2为一个实施例中大型飞行器跟踪数字化仿真方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种大型飞行器跟踪数字化仿真平台，包括：
用户界面层和数据层；用户界面层包括：参数设置层和参数输出展示层；数据层包括：两个数据输入通道、待评估轨迹跟踪算法模块、控制系统数据模型、两个数据计算通道、六自由度数学模型以及导航解算模块，两个数据输入通道分别为高程位置速度信息输入通道和水平位置速度信息输入模块，两个数据计算通道分别舵面控制模块和油门控制模块，舵面控制模块包括：伺服机构模型和气动计算模型，油门控制模块包括：发动机模型；待评估轨迹跟踪算法模块中存储待评估轨迹跟踪算法，参数设置层分别设置高程位置速度参数、水平位置速度参数、待评估轨迹跟踪算法的控制参数、控制系统数据模型的控制参数，高程位置速度参数通过上一时刻仿真得到的高程位置速度，得到高程差参考信息，并将高程差参考信息输入控制系统数据模型，水平位置速度参数输入待评估轨迹跟踪算法模块，通过待评估轨迹跟踪算法模块对所述水平位置速度参数和上一时刻仿真得到的水平位置速度进行解算，得到姿态角指令，并将所述姿态角指令输入所述控制系统数据模型，控制系统数据模型包括：纵向控制通道、水平控制通道和地速控制通道；纵向控制通道用于处理高程差参考信息，水平控制通道和地速控制通道用于处理姿态角指令，控制系统数据模型输出三通道舵面控制指令至伺服机构模型，控制系统数据模型输出油门指令至发动机模型；伺服机构模型处理三通道舵面控制指令得到实际舵偏角，并将实际舵偏角输入至气动计算模型，从而得到三轴气动力与力矩，并输入至六自由度模型；发动机模型处理油门指令输出发动机推力，并输入至六自由度模型，六自由度模型根据三轴气动力与力矩和发动机推力进行解算，得到原始数据，导航解算模块根据原始数据解算得到导航解算数据，导航解算数据包括：当前时刻高程位置速度和当前时刻水平位置速度；三轴气动力与力矩、发动机推力、六自由度模型进行解算的过程参数和状态参数、导航解算模块进行解算的过程参数和状态参数均输出至参数输出展示层以进行可视化展示，从而可视化评估待评估轨迹跟踪算法。
上述大型飞行器跟踪数字化仿真平台，首先将待评估轨迹跟踪算法编写为计算机语言，存储在待评估轨迹跟踪算法模块中，从而作为仿真平台的底层数据驱动源，另一方面通过搭建用户界面层和数据层，数据层执行仿真数据的仿真、解算等，而用户界面层可以在仿真过程中实时观测或仿真后具体分析仿真结果，从而有利于判断评估轨迹跟踪算法的准确性与有效性。
在其中一个实施例中，数据层还包括：大气数据计算模型，用于输出大气参数，气动计算模型根据大气参数和所述实际舵偏角，输出三轴气动力与力矩。
在其中一个实施例中，参数设置层包括：航路点页面、初始条件页面、控制参数页面、风干扰页面、气动参数页面以及仿真设置页面；航路点页面用于输入航路点信息，得到高程位置速度参数、水平位置速度参数；初始条件页面用于设置仿真的初始条件；初始条件包括：惯性特性、初始位置、初始速度、初始姿态角和初始角速度；控制参数页面用于设置仿真模型的控制参数；仿真模型包括：待评估轨迹跟踪算法模块和控制系统数据模型；待评估轨迹跟踪算法模块和控制系统数据模型均包括：姿态控制器、高度控制器、航线跟踪控制器和航速控制器；风干扰页面用于对仿真模型包含的常值风、紊流、突风、风切变和风场模型的参数进行设置；气动参数页面用于对气动计算模型的气动参数进行调整和设置；仿真设置页面用于对仿真步长、仿真时长、更新周期和数据记录周期进行设置。
在另一个实施例中，参数输出展示层包括：数据图线页面、状态显示页面以及指标分析页面；数据图线页面用于生成数据相对时间变化的曲线；状态显示页面用于在仿真时显示状态数据；指标分析页面用于按照设定的指标分析进行精度和有效性分析。
在其中一个实施例中，如图2所示，提供一种大型飞行器跟踪数字化仿真方法，应用于上述大型飞行器跟踪数字化仿真平台，包括：
步骤202，载入仿真模型，并对仿真平台进行初始化。
步骤204，设置航路，根据设置的航路执行仿真并更新用户界面层和数据层，得到仿真数据。
步骤206，对仿真数据进行分析，并且可视化显示在更新用户界面层。
本实施例中，作为检验某型飞机跟踪技术的数字化仿真平台，轨迹跟踪算法是软件开发的重要依据和依赖因素。本发明在软件实现方面，通过采用计算机语言对算法进行设计，有效的将轨迹跟踪算法与其他模块进行分离，通过规定相应的接口，使软件适应性和可靠性大大增强。
对于初始化，用于初始化仿真程序，包括载入必须的仿真模块。
例如：软件装载轨迹跟踪所用数学模型，同时装在初始化结构体(init)进行系统的初始化过程，初始化内容包括：控制参数、任务配置参数、风干扰参数、气动参数、仿真设置。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种大型飞行器跟踪数字化仿真平台，其特征在于，所述仿真平台包括：
用户界面层和数据层；
所述用户界面层包括：参数设置层和参数输出展示层；
所述数据层包括：两个数据输入通道、待评估轨迹跟踪算法模块、控制系统数据模型、两个数据计算通道、六自由度数学模型以及导航解算模块；两个数据输入通道分别为高程位置速度信息输入通道和水平位置速度信息输入模块；两个数据计算通道分别舵面控制模块和油门控制模块；所述舵面控制模块包括：伺服机构模型和气动计算模型；所述油门控制模块包括：发动机模型；所述待评估轨迹跟踪算法模块中存储待评估轨迹跟踪算法；
所述参数设置层分别设置高程位置速度参数、水平位置速度参数、待评估轨迹跟踪算法的控制参数、控制系统数据模型的控制参数；
所述高程位置速度参数通过上一时刻仿真得到的高程位置速度，得到高程差参考信息，并将高程差参考信息输入所述控制系统数据模型；
所述水平位置速度参数输入待评估轨迹跟踪算法模块，通过所述待评估轨迹跟踪算法模块对所述水平位置速度参数和上一时刻仿真得到的水平位置速度进行解算，得到姿态角指令，并将所述姿态角指令输入所述控制系统数据模型；
所述控制系统数据模型包括：纵向控制通道、水平控制通道和地速控制通道；所述纵向控制通道用于处理所述高程差参考信息，所述水平控制通道和地速控制通道用于处理所述姿态角指令，所述控制系统数据模型输出三通道舵面控制指令至所述伺服机构模型，所述控制系统数据模型输出油门指令至所述发动机模型；所述伺服机构模型处理所述三通道舵面控制指令得到实际舵偏角，并将所述实际舵偏角输入至气动计算模型，从而得到三轴气动力与力矩，并输入至所述六自由度模型；所述发动机模型处理所述油门指令输出发动机推力，并输入至所述六自由度模型，所述六自由度模型根据所述三轴气动力与力矩和所述发动机推力进行解算，得到原始数据；
所述导航解算模块根据所述原始数据解算得到导航解算数据，所述导航解算数据包括：当前时刻高程位置速度和当前时刻水平位置速度；
所述三轴气动力与力矩、所述发动机推力、六自由度模型进行解算的过程参数和状态参数、所述导航解算模块进行解算的过程参数和状态参数均输出至参数输出展示层以进行可视化展示，从而可视化评估所述待评估轨迹跟踪算法。
2.根据权利要求1所述的仿真平台，其特征在于，所述数据层还包括：大气数据计算模型，用于输出大气参数，所述气动计算模型根据所述大气参数和所述实际舵偏角，输出三轴气动力与力矩。
3.根据权利要求1所述的仿真平台，其特征在于，所述参数设置层包括：航路点页面、初始条件页面、控制参数页面、风干扰页面、气动参数页面以及仿真设置页面；
所述航路点页面用于输入航路点信息，得到高程位置速度参数、水平位置速度参数；
所述初始条件页面用于设置仿真的初始条件；所述初始条件包括：惯性特性、初始位置、初始速度、初始姿态角和初始角速度；
所述控制参数页面用于设置仿真模型的控制参数；所述仿真模型包括：待评估轨迹跟踪算法模块和控制系统数据模型；所述待评估轨迹跟踪算法模块和控制系统数据模型均包括：姿态控制器、高度控制器、航线跟踪控制器和航速控制器；
所述风干扰页面用于对仿真模型包含的常值风、紊流、突风、风切变和风场模型的参数进行设置；
所述气动参数页面用于对所述气动计算模型的气动参数进行调整和设置；
所述仿真设置页面用于对仿真步长、仿真时长、更新周期和数据记录周期进行设置。
4.根据权利要求3所述的仿真平台，其特征在于，所述参数输出展示层包括：数据图线页面、状态显示页面以及指标分析页面；
所述数据图线页面用于生成数据相对时间变化的曲线；
所述状态显示页面用于在仿真时显示状态数据；
所述指标分析页面用于按照设定的指标分析进行精度和有效性分析。
5.一种大型飞行器跟踪数字化仿真方法，其特征在于，应用于权利要求1至4任一项所述的大型飞行器跟踪数字化仿真平台，包括：
载入仿真模型，并对仿真平台进行初始化；
设置航路，根据设置的航路执行仿真并更新用户界面层和数据层，得到仿真数据；
对所述仿真数据进行分析，并且可视化显示在所述更新用户界面层。
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