CN114396832A - 一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，该系统主要包括火炮发射物理实体、实时数据采集与分析模块、火炮数字孪生模型构建模块、火炮状态监测及射击精度预测模块及火炮射击诸元自适应调控模块。本发明利用数字孪生技术，构建火炮数字孪生模型，动态采集火炮状态数据、弹丸信息数据和气象信息数据，通过火炮发射动力学计算及外弹道解算，实现弹丸弹着点位置的预测，同时，存储历史数据，不断优化火炮发射动力学计算及外弹道解算的准确度，实现火炮最佳射角和方位角的自主确定与自动调整，从而最终实现了火炮发射过程的状态监测与动态控制，解决现有火炮发射时火炮初始状态、弹丸制造偏差、气象变化等随机因素影响射击精度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及火炮控制技术，特别是一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统。
背景技术
火炮是一种非制导武器，其通过炮控系统调整火炮射角和方位角控制火炮身管指向，从而控制弹丸出射方向，以实现弹丸弹着点的间接控制。目前，在火炮发射时，火炮射角和方位角主要通过查找提前制定的射表确定，但由于制定射表时未能考虑火炮实时状态、弹丸制造误差等不确定因素的影响，弹丸弹着点也会存在较大的不确定性，造成较大的射弹散布，影响火炮的射击精度。
《基于ADAMS的火炮发射动力学仿真研究》及《无控旋转弹丸外弹道姿态测试与模型验证》中通过建立火炮的发射动力学模型和外弹道模型，可实现对火炮射击精度的仿真预测，但其同样难以考虑火炮实时状态、弹丸制造误差等不确定因素的影响，并且该模型中还涉及众多不确定参数的选定问题，导致仿真预测的可信度受到制约。
综合以上，为了更加精准控制弹丸弹着点，提高火炮射击精度，亟需寻求一种能够实时监测火炮射击影响因素，准确预测弹丸弹着点的方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，用以解决现有火炮发射时火炮初始状态、弹丸制造偏差、气象变化等随机因素导致的弹丸弹着点不确定，影响射击精度的问题。
技术方案：本发明所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，包括以下部分：
(1)火炮发射物理实体，具体包括火炮、弹丸与气象；
(2)实时数据采集与分析模块，该模块具体包括：
火炮状态数据采集模块，其通过附着于火炮上的各类传感器实时测量火炮状态数据；
弹丸信息采集模块，包括弹着点测量装置、RFID读卡器及对应单个弹丸的RFID标签，主要用于采集弹丸信息数据；
气象信息采集模块，其通过多种气象要素传感器实时采集火炮、被打击目标所处地区的气象信息数据；
数据处理与存储模块，其对火炮状态数据采集模块、弹丸信息采集模块及气象信息采集模块采集的数据进行清洗、分析，并将数据存入数据库中；
(3)火炮数字孪生模型构建模块，基于该模块构建火炮数字孪生模型，其具体包括：
几何模型，利用三维建模软件分别建立火炮、弹丸的参数化三维模型，展现其形状、组成及装配关系；
物理模型，基于多体动力学、流体力学、空气动力学等，在建立的火炮、弹丸参数化三维模型基础上增加物理实体的物理属性、约束及特征；
行为模型，其描述了在地面激励、气象条件等外干扰，及弹炮接触、炮控系统控制等内部运行机制耦合作用下弹丸、火炮的实际运行状态；
规则模型，其是分析数据库中数据，总结得到的火炮、弹丸运动规律规则；
(4)火炮状态监测及射击精度预测模块，该模块具体包括：
火炮状态监测模块，其基于实时数据采集与分析模块采集的火炮状态数据及弹丸信息数据，更新火炮数字孪生模型中火炮、弹丸参数化三维模型的尺寸、位置关系及运动状态，实现火炮及弹丸实时状态的可视化展现，并同时将重要的气象信息数据转换为图表进行可视化显示；
射击精度预测模块，其以实时数据采集与分析模块采集的火炮状态数据、弹丸信息数据及气象信息数据为火炮的初始条件，基于火炮数字孪生模型，通过火炮发射动力学计算及外弹道解算，实现弹丸弹着点位置的预测，并且，其基于数据库中的数据不断优化火炮发射动力学计算及外弹道解算的准确度，以提高弹丸弹着点位置的预测精度；
(5)火炮射击诸元自适应调控模块，该模块具体包括：
射角优化模块，其基于智能优化算法及射击精度预测模块优化计算并确定火炮最佳射角和方位角；
射角调控模块，根据火炮最佳射角和方位角驱动火炮炮控系统对火炮实际射角和方位角进行调整，在调整到位后击发弹丸，完成射击。
进一步的，所述附着于火炮上的各类传感器，包括测量振动状态的角位移、角速度传感器、测量膛压的压力传感器、测量膛内温度的温度传感器及测量内膛磨损的窥膛仪等；
所述对应单个弹丸的RFID标签内置有该弹丸的实际参数；所述RFID读卡器安装于火炮上，其在装弹时通过读取对应单个弹丸的RFID标签，实时获取当前弹丸的实际参数信息；
所述弹着点测量装置测量当前弹丸的实际弹着点位置信息；
所述多种气象要素传感器主要测量风速、风向、气压、空气湿度、空气密度等气象信息。
进一步的，所述弹丸的实际参数，包括实际装药量、实际重心位置及实际制造尺寸等，这些数据在弹丸出厂时通过精确测量后存储于对应单个弹丸的RFID标签中；
所述火炮状态数据包括摇架、身管、炮口等处的状态数据；
进一步的所述火炮数字孪生模型是由实时数据采集与分析模块采集的实时数据驱动的；
所述火炮、弹丸的参数化三维模型根据实时数据采集与分析模块采集的实时数据动态调整形状尺寸、相对位置；
所述增加物理实体的物理属性、约束及特征，具体包括材料属性、力学属性、装配约束等；
所述实际运行状态根据实时数据采集与分析模块采集的实时数据获取；
所述总结得到的火炮、弹丸运动规律规则包括外部激励、火炮结构参数、炮控系统控制参数、弹丸结构参数、装药量、气象信息等对火炮、弹丸运动的影响规律等；
进一步的，所述基于数据库中的数据不断优化火炮发射动力学计算及外弹道解算的准确度的实现方法为：以数据库中存储的每发弹丸发射初始时火炮状态数据、弹丸信息数据为输入，以数据库中存储的该发弹丸出炮口时的炮口状态数据和弹丸状态数据为输出，基于参数辨识方法，对火炮发射动力学计算中的部分不确定参数进行辨识，不断提高火炮发射动力学计算的精度；
以数据库中存储的弹丸出炮口时的弹丸状态数据、气象信息数据为输入，以数据库中存储的弹着点测量装置测量的实际弹着点位置数据为输出，基于参数辨识方法，对外弹道解算中的部分不确定参数进行辨识，不断提高外弹道解算的精度；
进一步的，所述基于智能优化算法及射击精度预测模块优化计算并确定火炮最佳射角和方位角的实现方法为：以火炮的射角和方位角为优化变量，以火炮的射角和方位角调整范围为设计空间，以弹丸弹着点位置预测值与期望值间的差值最小为优化目标，基于智能优化算法在设计空间里搜索优化解，确定火炮的最佳射角和方位角；
所述弹丸弹着点位置预测值基于射击精度预测模块计算得到；
所述弹丸弹着点位置期望值为考虑弹丸飞行时间后的被打击目标的预期位置，其由被打击目标的当前位置，被打击目标运动速度和方向，弹丸飞行时间综合决定；
所述智能优化算法包括但不限于遗传算法、粒子群算法、蚁群算法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明通过构建基于数字孪生的火炮状态监控系统，实现了对火炮发射过程的实时可视化监测，并能基于历史数据挖掘不断提高弹丸弹着点预测精度，基于实测数据动态计算并调整火炮射角和方位角，解决了目前火炮发射时火炮初始状态、弹丸制造偏差、气象变化等随机因素导致的弹丸弹着点不确定的问题，提高了火炮射击过程的管控能力，有利于射击精度的提升。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的基于智能优化算法及射击精度预测模块优化计算并确定火炮最佳射角的实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
图1为本发明的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统结构示意图，如图1所示，该系统主要包括：火炮发射物理实体、实时数据采集与分析模块、火炮数字孪生模型构建模块、火炮状态监测及射击精度预测模块及火炮射击诸元自适应调控模块；
火炮状态监控系统中的火炮发射物理实体包括火炮、弹丸与气象；
火炮状态监控系统中的实时数据采集与分析模块，包括火炮状态数据采集模块、弹丸信息采集模块、气象信息采集模块和数据处理与存储模块。其中，火炮状态数据采集模块通过附着于火炮上的各类传感器实时测量火炮状态数据，所述的附着于火炮上的各类传感器，包括测量振动状态的角位移、角速度传感器、测量膛压的压力传感器、测量膛内温度的温度传感器及测量内膛磨损的窥膛仪等，所述火炮状态数据包括摇架、身管、炮口等处的状态数据；弹丸信息采集模块包括弹着点测量装置、RFID读卡器及对应单个弹丸的RFID标签，主要用于采集弹丸信息数据，所述的对应单个弹丸的RFID标签内置有该弹丸的实际参数，具体包括实际装药量、实际重心位置及实际尺寸等弹丸制造数据，这些数据在弹丸出厂时通过精确测量后存储于对应单个弹丸的RFID标签中，所述RFID读卡器安装于火炮上，其在装弹时通过读取对应单个弹丸的RFID标签，实时获取当前弹丸的实际参数信息，所述弹着点测量装置测量当前弹丸的实际弹着点位置信息；气象信息采集模块，其通过多种气象要素传感器实时采集火炮、被打击目标所处地区的气象信息数据，所述多种气象要素传感器主要测量风速、风向、气压、空气湿度、空气密度等气象信息；数据处理与存储模块，其对火炮状态数据采集模块、弹丸信息采集模块及气象信息采集模块采集的数据进行清洗、分析，并将数据存入数据库中；
火炮状态监控系统中的火炮数字孪生模型构建模块，基于该模块构建火炮数字孪生模型，具体包括几何模型、物理模型、行为模型和规则模型，其是由实时数据采集与分析模块采集的实时数据驱动的。其中，几何模型，利用三维建模软件分别建立火炮、弹丸的参数化三维模型，展现火炮发射物理实体的形状、组成及装配关系，其根据实时数据采集与分析模块采集的实时数据动态调整形状尺寸、相对位置；物理模型，基于多体动力学、流体力学、空气动力学等，在建立的火炮、弹丸参数化三维模型基础上增加物理实体的物理属性、约束及特征，具体包括材料属性、力学属性、装配约束等；行为模型，其描述了在地面激励、气象条件等外干扰，及弹炮接触、炮控系统控制等内部运行机制耦合作用下弹丸、火炮的实际运行状态，其根据实时数据采集与分析模块采集的实时数据获取；规则模型，其是分析数据库中数据，总结得到的火炮、弹丸运动规律规则，包括外部激励、火炮结构参数、炮控系统控制参数、弹丸结构参数、装药量、气象信息等对火炮、弹丸运动的影响规律等；
火炮状态监控系统中的火炮状态监测及射击精度预测模块包括火炮状态监测模块和射击精度预测模块。其中，火炮状态监测模块基于实时数据采集与分析模块采集的火炮状态数据及弹丸信息数据，更新火炮数字孪生模型中火炮、弹丸参数化三维模型的尺寸、位置关系及运动状态，实现火炮及弹丸实时状态的可视化展现，并同时将重要的气象信息数据转换为图表进行可视化显示；射击精度预测模块以实时数据采集与分析模块采集的火炮状态数据、弹丸信息数据及气象信息数据为火炮的初始条件，基于火炮数字孪生模型，通过火炮发射动力学计算及外弹道解算，实现弹丸弹着点位置的预测，并且，其基于数据库中的数据不断优化火炮发射动力学计算及外弹道解算的准确度，以提高弹丸弹着点位置的预测精度，其实现方法为：①以数据库中存储的每发弹丸发射初始时火炮状态数据、弹丸信息数据为输入，以数据库中存储的该发弹丸出炮口时的炮口状态数据和弹丸状态数据为输出，基于参数辨识方法，对火炮发射动力学计算中的部分不确定参数进行辨识，不断提高火炮发射动力学计算的精度。②以数据库中存储的弹丸出炮口时的弹丸状态数据、气象信息数据为输入，以数据库中存储的弹着点测量装置测量的实际弹着点位置数据为输出，基于参数辨识方法，对外弹道解算中的部分不确定参数进行辨识，不断提高外弹道解算的精度；
火炮状态监控系统中的火炮射击诸元自适应调控模块包括射角优化模块和射角调控模块。其中，如图2所示，射角优化模块基于智能优化算法及射击精度预测模块优化计算并确定火炮最佳射角和方位角，其实现方法为：以火炮的射角和方位角为优化变量，以火炮的射角和方位角调整范围为设计空间，以弹丸弹着点位置预测值与期望值间的差值最小为优化目标，基于遗传算法、粒子群算法或蚁群算法等智能优化算法在设计空间里搜索优化解，确定火炮的最佳射角和方位角，所述弹丸弹着点位置预测值基于射击精度预测模块计算得到，所述弹丸弹着点位置期望值为考虑弹丸飞行时间后的被打击目标的预期位置，其由被打击目标的当前位置，被打击目标运动速度和方向，弹丸飞行时间综合决定；射角调控模块，根据火炮最佳射角和方位角驱动火炮炮控系统对火炮实际射角和方位角进行调整，在调整到位后击发弹丸，完成射击。
基于本发明一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，实现火炮发射状态实时监测及火炮射角自适应调控的流程为：
(1)在火炮数字孪生模型构建模块中构建火炮数字孪生模型；
(2)火炮工作过程中，实时数据采集与分析模块中的火炮状态数据采集模块实时采集火炮状态数据，气象信息采集模块实时采集气象信息数据，弹丸信息采集模块中的RFID读卡器实时读取对应单个弹丸的RFID标签，获取弹丸实际信息数据；
(3)数据处理与存储模块对采集的数据进行处理后存入数据库中，并实时驱动火炮数字孪生模型的更新；
(4)火炮状态监测及射击精度预测模块中的射击精度预测模块，基于数据处理与存储模块处理后的实时数据及火炮数字孪生模型，通过火炮发射动力学计算及外弹道解算，动态预测弹丸弹着点位置；
(5)火炮状态监测模块基于数据处理与存储模块处理后的实时数据、更新后的火炮数字孪生模型以及射击精度预测模块的预测数据，动态显示火炮状态、弹丸尺寸、弹丸预测弹着点、气象信息等的变化，实现火炮发射状态的实时监测。
(6)在火炮发射状态的实时监测基础上，火炮射击诸元自适应调控模块中的射角优化模块基于智能优化算法及射击精度预测模块优化计算并确定火炮最佳射角和方位角，射角调控模块驱动火炮炮控系统对火炮实际射角和方位角进行调整，并完成弹丸发射；
(7)弹丸发射过程中，重复步骤(1)～(5)，实现发射全过程的监测，同时弹着点测量装置测量弹丸的实际弹着点，所有数据存入数据库中，用于数据挖掘，提高火炮发射动力学计算及外弹道解算的准确度。
Claims (9)
1.一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，其特征在于，包括以下部分：
(1)火炮发射物理实体，具体包括火炮、弹丸与气象；
(2)实时数据采集与分析模块，该模块具体包括：
火炮状态数据采集模块，其通过附着于火炮上的各类传感器实时测量火炮状态数据；
弹丸信息采集模块，包括弹着点测量装置、RFID读卡器及对应单个弹丸的RFID标签，主要用于采集弹丸信息数据；
气象信息采集模块，其通过多种气象要素传感器实时采集火炮、被打击目标所处地区的气象信息数据；
数据处理与存储模块，其对火炮状态数据采集模块、弹丸信息采集模块及气象信息采集模块采集的数据进行清洗、分析，并将数据存入数据库中；
(3)火炮数字孪生模型构建模块，基于该模块构建火炮数字孪生模型，其具体包括：
几何模型，利用三维建模软件分别建立火炮、弹丸的参数化三维模型，展现其形状、组成及装配关系；
物理模型，在建立的火炮、弹丸参数化三维模型基础上增加物理实体的物理属性、约束及特征；
行为模型，其描述了在外干扰及内部运行机制耦合作用下弹丸、火炮的实际运行状态；
规则模型，其是分析数据库中数据，总结得到的火炮、弹丸运动规律规则；
(4)火炮状态监测及射击精度预测模块，该模块具体包括：
火炮状态监测模块，其基于实时数据采集与分析模块采集的火炮状态数据及弹丸信息数据，更新火炮数字孪生模型中火炮、弹丸参数化三维模型的尺寸、位置关系及运动状态，实现火炮及弹丸实时状态的可视化展现，并同时将重要的气象信息数据转换为图表进行可视化显示；
射击精度预测模块，其以实时数据采集与分析模块采集的火炮状态数据、弹丸信息数据及气象信息数据为火炮的初始条件，基于火炮数字孪生模型，通过火炮发射动力学计算及外弹道解算，实现弹丸弹着点位置的预测，并且，其基于数据库中的数据不断优化火炮发射动力学计算及外弹道解算的准确度；
(5)火炮射击诸元自适应调控模块，该模块具体包括：
射角优化模块，其基于智能优化算法及射击精度预测模块优化计算并确定火炮最佳射角和方位角；
射角调控模块，根据火炮最佳射角驱动火炮炮控系统对火炮实际射角和方位角进行调整，在调整到位后击发弹丸，完成射击。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，其特征在于，在实时数据采集与分析模块中，所述附着于火炮上的各类传感器，包括测量振动状态的角位移、角速度传感器、测量膛压的压力传感器、测量膛内温度的温度传感器及测量内膛磨损的窥膛仪；
所述弹着点测量装置测量当前弹丸的实际弹着点位置信息；
所述RFID读卡器安装于火炮上，其在装弹时通过读取对应单个弹丸的RFID标签，实时获取当前弹丸的实际参数信息；
所述对应单个弹丸的RFID标签内置有该弹丸的实际参数；
所述气象信息数据包括风速、风向、气压、空气湿度、空气密度。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，其特征在于，所述弹丸的实际参数包括实际装药量、实际重心位置及实际制造尺寸，该数据在弹丸出厂时通过精确测量后存储于对应单个弹丸的RFID标签中。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，其特征在于，在火炮数字孪生模型构建模块中，所述火炮数字孪生模型是由实时数据采集与分析模块采集的实时数据驱动的；
所述火炮、弹丸的参数化三维模型根据实时数据采集与分析模块采集的实时数据动态调整形状尺寸、相对位置；
所述增加物理实体的物理属性、约束及特征，具体包括材料属性、力学属性、装配约束；
所述弹丸、火炮的实际运行状态根据实时数据采集与分析模块采集的实时数据获取；
所述总结得到的火炮、弹丸运动规律规则包括外部激励、火炮结构参数、炮控系统控制参数、弹丸结构参数、装药量、气象信息对火炮、弹丸运动的影响规律。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，其特征在于，在火炮状态监测及射击精度预测模块中，所述基于数据库中的数据不断优化火炮发射动力学计算及外弹道解算的准确度的实现方法为：以数据库中存储的每发弹丸发射初始时火炮状态数据、弹丸信息数据为输入，以数据库中存储的该发弹丸出炮口时的炮口状态数据和弹丸状态数据为输出，基于参数辨识方法，对火炮发射动力学计算中的部分不确定参数进行辨识，不断提高火炮发射动力学计算的精度；以数据库中存储的弹丸出炮口时的弹丸状态数据、气象信息数据为输入，以数据库中存储的弹着点测量装置测量的实际弹着点位置数据为输出，基于参数辨识方法，对外弹道解算中的部分不确定参数进行辨识，不断提高外弹道解算的精度。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，其特征在于，在火炮射击诸元自适应调控模块中，所述基于智能优化算法及射击精度预测模块优化计算并确定火炮最佳射角和方位角的实现方法为：以火炮的射角和方位角为优化变量，以火炮的射角和方位角调整范围为设计空间，以弹丸弹着点位置预测值与期望值间的差值最小为优化目标，基于智能优化算法在设计空间里搜索优化解，确定火炮的最佳射角和方位角。
7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统，其特征在于，所述弹丸弹着点位置预测值基于射击精度预测模块计算得到；所述弹丸弹着点位置期望值为考虑弹丸飞行时间后的被打击目标的预期位置，其由被打击目标的当前位置，被打击目标运动速度和方向，弹丸飞行时间综合决定；所述智能优化算法包括遗传算法、粒子群算法、蚁群算法。
8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统。
9.一种计算机设备，包括储存器、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如权利要求1-7中任一项所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统。
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