CN115016316A - 一种自动循环控制的半实物仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动循环控制的半实物仿真系统，涉及弹道导弹仿真技术中的半实物仿真技术领域，包括自动循环试验软件、Higale实时仿真系统、惯测组合模拟器、组合导航模拟器、飞控计算机、舵机系统和程控电源系统；所述自动循环试验软件和Higale实时仿真系统间通过TCP/IP协议连接，用以自动完成试验参数装订和试验结果获取，所述Higale实时仿真系统中部署有六自由度动力学模块、惯测组合模拟器、组合导航模拟器。本发明减少了人为操作带来的时间和准确性上的影响，极大地提高了试验效率，进而提高了试验参数状态的覆盖性和仿真结果可信度，减少了飞行试验的隐患。

Description

一种自动循环控制的半实物仿真系统

技术领域

本发明涉及弹道导弹仿真技术中的半实物仿真技术领域，具体涉及一种自动循环控制的半实物仿真系统。

背景技术

半实物仿真系统负责完成的半实物仿真试验，是根据飞行器飞行原理设计的，使用飞控计算机、舵机等实物设备及数字模型模拟功能，模拟整个飞行过程，验证飞行导航算法、制导算法和姿态稳定算法的正确性的试验。半实物仿真系统主要由Higale(飞控部件模拟器)实时仿真系统、惯测组合模拟器、组合导航模拟器、飞控计算机、舵机系统和供电系统组成，试验过程通过仿真上位机控制。

Higale实时仿真系统采集舵机反馈信息，利用舵机反馈信息作为输入实时解算弹体六自由度运动学方程，并采集时序动作进行各飞行段的数据(各飞行段的力矩、视加速度、质量、质心、转动惯量等)切换，输出表征弹体位置和姿态的脉冲数信息和组合导航信息，并以曲线的形式实时显示弹体数据(角速率、舵机反馈、攻角、侧滑角、姿态角、速度、位置、高度、马赫数等)信息。

惯测组合模拟器利用CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)通讯接收Higale实时仿真系统发出的脉冲数信息(数字量)，并实时的通过数字IO(输入/输出)的方式发送给飞控计算机。

组合导航模拟器利用CAN通讯接收Higale实时仿真系统发出的速度和位置导航信息，并进行相应的坐标系转换生成卫星导航信息，通过有线的方式发送给飞控计算机；组合导航模拟器采用GPS/GLONASS卫星组合导航方式。

飞控计算机运行飞行控制软件，通过CAN接口接收惯测组合模拟器发出的脉冲数(模拟量)信息，实时解算弹体的角速率和位置信息，并接收卫星导航定位信息，利用角速率、位置和导航定位信息依据导航制导控制算法实时解算舵机控制信号，并依据飞行状态发出各种时序，精确控制导弹飞行。

舵机系统根据接收的飞控计算机发出的舵机控制信号进行偏转，进而改变导弹的姿态，从而控制飞行器飞行。

试验操作通过仿真上位机与供电系统来控制。仿真上位机安装操作系统，并配有显示器及键鼠等外设，由试验人员使用Higale软件进行试验前的参数配置，由试验人员通过供电系统的开关将飞控计算机、舵机等实物设备进行重置。每次试验结束后，在仿真上位机获取由仿真实时系统上传的试验数据并进行数据处理。由于每次试验在开始和结束阶段均需要人工干预，因此该仿真试验执行效率较低，在进行状态验证时仅能选取有限的试验状态进行测试，这导致了模拟状态的飞行试验对于飞行状态覆盖面不足，无法有效验证飞行控制算法在多种组合状态下的正确性，为最终飞行留下了隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种自动循环控制的半实物仿真系统，减少了人为操作带来的时间和准确性上的影响，极大地提高了试验效率，进而提高了试验参数状态的覆盖性和仿真结果可信度，减少了飞行试验的隐患。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是，包括自动循环试验软件、Higale实时仿真系统、惯测组合模拟器、组合导航模拟器、飞控计算机、舵机系统和程控电源系统；

所述自动循环试验软件和Higale实时仿真系统间通过TCP/IP协议连接，用以自动完成试验参数装订和试验结果获取，所述Higale实时仿真系统中部署有六自由度动力学模块、惯测组合模拟器、组合导航模拟器；

所述自动循环试验软件和程控电源系统间通过TCP/IP协议连接，用以完成整个试验过程中的配电断电操作，以及完成飞控计算机和舵机系统的自动操作；

所述Higale实时仿真系统、飞控计算机和舵机系统间通过CAN总线协议连接，用以完成飞行试验的数据交互。

在上述技术方案的基础上，

所述自动循环试验软件基于java开发；

所述自动循环试验软件在试验开始前，根据需求生成指定的若干组参数组合，作为后续每一次飞行模拟试验的装订参数；

所述自动循环试验软件在试验结束后，将试验过程数据从Higale实时仿真系统中拷贝并存储至本地，以及选取所需试验过程数据进行计算和画图操作，并将结果记录至试验文档中。

在上述技术方案的基础上，

所述自动循环试验软件在进行参数装订时，使用TCP/IP协议与六自由度动力学模型连接，使用java封装后的https接口对六自由度动力学模块中的参数进行配置并启动模型计算；

所述六自由度动力学模块在计算过程中，自动循环试验软件以固定频率检查六自由度动力学模块的计算状态，以判断试验是否结束。

在上述技术方案的基础上，

所述自动循环试验软件中部署的仿真上位机通过TCP/IP协议与程控电源系统连接；

所述程控电源系统通过供电电缆控制飞控计算机的配电和断电，以及舵机系统的配电和断电。

在上述技术方案的基础上，

所述六自由度动力学模块接收到装订参数和启动模型计算信号后，启动模型计算；

所述六自由度动力学模块通过CAN总线与飞控计算机交互时序控制信息；

所述时序控制信息包括点火和关闭发动机的状态切换信号。

在上述技术方案的基础上，

所述六自由度动力学模块将时间、速度和位置信息发送给组合导航模拟器；

所述六自由度动力学模块将角速率和视加速度信息发送给惯测组合模拟器；

所述组合导航模拟器基于时间、速度和位置信息生成模拟的组合导航信息通过CAN总线发送给飞控计算机；

所述惯测组合模拟器基于角速率和视加速度信息生成模拟的惯性导航脉冲数据通过CAN总线发送给飞控计算机。

在上述技术方案的基础上，

所述六自由度动力学模块通过CAN总线获取舵机系统的舵机反馈信号，进行动力学模型解算，得到各飞行段内的视加速度、力矩、质量和转动惯量数据。

在上述技术方案的基础上，

所述六自由度动力学模块还用于根据飞控计算机发出的运行状态切换信息对各飞行段数据进行实时切换，从自初始调平段开始，依次经过主动段、末修段、机动段直至落地的整个飞行过程。

在上述技术方案的基础上，

所述飞控计算机用于进行飞行综合控制；

所述飞控计算机通过CAN总线接收Higale实时仿真系统发送的表征位置信息、姿态的脉冲数信息和组合导航定位信息，实时解算弹体的姿态和位置信息，依据制导、姿态控制算法实时解算舵机控制信号，并依据飞行状态发出时序命令，控制飞行器飞行。

在上述技术方案的基础上，

所述舵机系统通过CAN总线接收飞控计算机发出的舵控制信号，并同步将舵控制信号反馈到六自由度动力学模型。

与现有技术相比，本发明的优点在于：使用TCP/IP协议和CAN协议，利用Higale实时仿真系统，将整个半实物仿真试验所需的数字模型与实物外设纳入到同一个网络体系中，实现了多参数组合的自动循环的半实物仿真试验，通过本发明使得仿真试验无需人工干预，减少了人为操作带来的时间和准确性上的影响，极大地提高了试验效率，进而提高了试验参数状态的覆盖性和仿真结果可信度，减少了飞行试验的隐患。同时，由程序逻辑控制的程控电源系统按照规范顺序进行供配电系统，也减少了人为操作所可能带来的用电安全隐患，防止试验设备因用电不规范而发生损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种自动循环控制的半实物仿真系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中半实物仿真系统的应用流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1所示，本发明实施例提供一种自动循环控制的半实物仿真系统，将半实物仿真试验所需要的数字的仿真模型和实物的外部设备通过TCP(Transmission ControlProtocol，传输控制协议)/IP(Internet Protocol，网际互连协议)协议、CAN总线协议组合成同一个通讯网络，然后在自动循环试验软件中完成试验参数的生成和装订、实物设备的配电、模拟飞行试验、数据采集等工作的自动执行，降低人力成本，提高整个试验的运行效率。在使用该仿真系统之后，由于无需人工参与且试验过程可控，半实物仿真试验在设备充足的情况下可以连续进行，仿真状态理论上可以完成多种参数的全排列组合，在这种条件下，半实物仿真试验所模拟的各个工况得到充分验证，增加了试验结果的可信度，减少了飞行试验的风险。图1中，in表示输入，out表示输出。

本发明的半实物仿真系统，包括自动循环试验软件、Higale实时仿真系统、惯测组合模拟器、组合导航模拟器、飞控计算机、舵机系统和程控电源系统。本发明自动循环控制的半实物仿真系统使用TCP/IP协议和CAN协议将自动循环试验软件、六自由度动力学模块、程控电源系统、飞控计算机和舵机系统连接为同一个设备网，由TCP/IP协议完成试验前后的数据预处理和分析、设备供配电的通讯功能，由CAN协议完成模型解算过程中飞行试验数据的通讯功能，整个半实物仿真试验的自动运行由自动循环试验软件来控制完成。

自动循环试验软件和Higale实时仿真系统间通过TCP/IP协议连接，用以自动完成试验参数装订和试验结果获取，所述Higale实时仿真系统中部署有六自由度动力学模块、惯测组合模拟器、组合导航模拟器；自动循环试验软件和程控电源系统间通过TCP/IP协议连接，用以完成整个试验过程中的配电断电操作，以及完成飞控计算机和舵机系统的自动操作；Higale实时仿真系统、飞控计算机和舵机系统间通过CAN总线协议连接，用以完成飞行试验的数据交互。

本发明实施例中，自动循环试验软件基于java(一种计算机编程语言)开发；自动循环试验软件在试验开始前，根据需求生成指定的若干组参数组合，作为后续每一次飞行模拟试验的装订参数；自动循环试验软件在试验结束后，将试验过程数据从Higale实时仿真系统中拷贝并存储至本地，以及选取所需试验过程数据进行计算和画图操作，并将结果记录至试验文档中。

自动循环试验软件在进行参数装订时，使用TCP/IP协议与六自由度动力学模型连接，使用java封装后的https(超文本传输安全协议)接口对六自由度动力学模块中的参数进行配置并启动模型计算；六自由度动力学模块在计算过程中，自动循环试验软件以固定频率检查六自由度动力学模块的计算状态，以判断试验是否结束。

本发明实施例中，自动循环试验软件中部署的仿真上位机通过TCP/IP协议与程控电源系统连接；程控电源系统通过供电电缆控制飞控计算机的配电和断电，以及舵机系统的配电和断电。程控电源系统支持Visa(Virtual Instrument Software Architecture，虚拟仪器软件结构)仪器编程协议。在本发明中。使用程控电源系统适配的C语言Visa接口将程控电源系统所需的功能封装为可执行exe程序，然后在自动循环试验软件中调用该程序完成对程控电源系统的自动控制。

本发明实施例中，六自由度动力学模块接收到装订参数和启动模型计算信号后，启动模型计算；六自由度动力学模块通过CAN总线与飞控计算机交互时序控制信息；时序控制信息包括点火和关闭发动机的状态切换信号。六自由度动力学模块将时间、速度和位置信息发送给组合导航模拟器；六自由度动力学模块将角速率和视加速度信息发送给惯测组合模拟器；组合导航模拟器基于时间、速度和位置信息生成模拟的组合导航信息通过CAN总线发送给飞控计算机；惯测组合模拟器基于角速率和视加速度信息生成模拟的惯性导航脉冲数据通过CAN总线发送给飞控计算机。六自由度动力学模块通过CAN总线获取舵机系统的舵机反馈信号，进行动力学模型解算，得到各飞行段内的视加速度、力矩、质量和转动惯量数据。六自由度动力学模块还用于根据飞控计算机发出的运行状态切换信息对各飞行段数据进行实时切换，从自初始调平段开始，依次经过主动段、末修段、机动段直至落地的整个飞行过程，实现对飞行全过程的导航制导控制算法、飞行控制软件的验证，同时实现对发射流程设计的验证。

即在具体应用时，述六自由度动力学模块接收到装订参数和启动模型计算信号后，启动模型计算；六自由度动力学模块通过CAN总线与飞控计算机交互时序控制信息；六自由度动力学模块将时间、速度和位置信息发送给组合导航模拟器；六自由度动力学模块将角速率和视加速度信息发送给惯测组合模拟器；组合导航模拟器基于时间、速度和位置信息生成模拟的组合导航信息通过CAN总线发送给飞控计算机；惯测组合模拟器基于角速率和视加速度信息生成模拟的惯性导航脉冲数据通过CAN总线发送给飞控计算机。六自由度动力学模块通过CAN总线获取舵机系统的舵机反馈信号，进行动力学模型解算，得到各飞行段内的视加速度、力矩、质量和转动惯量数据，然后根据飞控计算机发出的运行状态切换信息对各飞行段数据进行实时切换，从自初始调平段开始，依次经过主动段、末修段、机动段直至落地的整个飞行过程，实现对飞行全过程的导航制导控制算法、飞行控制软件的验证，同时实现对发射流程设计的验证。

本发明实施例中，飞控计算机用于进行飞行综合控制；飞控计算机通过CAN总线接收Higale实时仿真系统发送的表征位置信息、姿态的脉冲数信息和组合导航定位信息，实时解算弹体的姿态和位置信息，依据制导、姿态控制算法实时解算舵机控制信号，并依据飞行状态发出时序命令，控制飞行器飞行。

舵机系统通过CAN总线接收飞控计算机发出的舵控制信号，并同步将舵控制信号反馈到六自由度动力学模型。

以下结合图2对本发明实施例的自动循环控制的半实物仿真系统的应用流程进行具体说明。

S1：自动循环试验软件按照用户需求生成需要进行试验测试的参数组合，转到S2：

S2：自动循环试验软件控制程控电源系统进行舵机系统配电、飞控计算机配电、启动飞控计算机，转到S3；

S3：自动循环试验软件选取一组试验参数对Higale实时仿真系统中的六自由度动力学模块进行参数装订，并启动试验，转到S4；

S4：Higale实时仿真系统启动，并模拟导弹通过CAN测试总线发出水平、起竖、竖直状态时的脉冲数信息，转到S5和S6；

S5：飞控完成调平后起飞，转到S7；

S6：飞控计算机通过CAN总线接收脉冲数信息，进行调平解算，计算出初始的姿态角和位置信息，发出“零秒”信息，启动整个飞行过程，转到S7；

S7：Higale实时仿真系统收到“零秒”信息后，通过CAN总线接收舵机反馈信息，并利用舵机反馈信息进行六自由度方程解算，输出角速率和视加速度信息，转到S8；

S8：判断飞行器是否落地，若否，转到S9，若是，转到S12；

S9：惯测组合模拟器将角速率和视加速度信息转化成脉冲数信息并通过CAN总线发送给飞控计算机，组合导航模拟器将导弹速度和位置信息转化成卫星导航信息通过CAN控制总线发送给飞控计算机，转到S10；

S10：飞控计算机利用CAN总线接收到的脉冲数信息以及通过CAN总线接收到的组合导航信息，进行导航制导控制算法解算并生成舵机控制信号，然后将舵机控制信号发送给舵机系统，转到S11；

S11：舵机系统利用CAN总线接收的舵机控制信号执行动作，并将舵机反馈信息发送到CAN总线上，转到S7；

S12：自动循环试验软件通过试验数据判断一轮飞行试验结束后，完成本轮飞行试验的数据存储，并进行数据分析及试验报告生成转到S13；

S13：自动循环试验软件通过程控电源系统依序完成关闭舵机和飞控计算机的操作，转到S14；

S14：判断是否完成所有试验，若是，则结束，若否，则转到S2。

本发明实施例的自动循环控制的半实物仿真系统，使用TCP/IP协议和CAN协议，利用Higale实时仿真系统，将整个半实物仿真试验所需的数字模型与实物外设纳入到同一个网络体系中，实现了多参数组合的自动循环的半实物仿真试验，通过本发明使得仿真试验无需人工干预，减少了人为操作带来的时间和准确性上的影响，极大地提高了试验效率，进而提高了试验参数状态的覆盖性和仿真结果可信度，减少了飞行试验的隐患。同时，由程序逻辑控制的程控电源系统按照规范顺序进行供配电系统，也减少了人为操作所可能带来的用电安全隐患，防止试验设备因用电不规范而发生损坏。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自动循环控制的半实物仿真系统，其特征在于，包括自动循环试验软件、Higale实时仿真系统、惯测组合模拟器、组合导航模拟器、飞控计算机、舵机系统和程控电源系统；

所述自动循环试验软件和Higale实时仿真系统间通过TCP/IP协议连接，用以自动完成试验参数装订和试验结果获取，所述Higale实时仿真系统中部署有六自由度动力学模块、惯测组合模拟器、组合导航模拟器；

所述自动循环试验软件和程控电源系统间通过TCP/IP协议连接，用以完成整个试验过程中的配电断电操作，以及完成飞控计算机和舵机系统的自动操作；

所述Higale实时仿真系统、飞控计算机和舵机系统间通过CAN总线协议连接，用以完成飞行试验的数据交互。

2.如权利要求1所述的一种自动循环控制的半实物仿真系统，其特征在于：

所述自动循环试验软件基于java开发；

所述自动循环试验软件在试验开始前，根据需求生成指定的若干组参数组合，作为后续每一次飞行模拟试验的装订参数；

所述自动循环试验软件在试验结束后，将试验过程数据从Higale实时仿真系统中拷贝并存储至本地，以及选取所需试验过程数据进行计算和画图操作，并将结果记录至试验文档中。

3.如权利要求2所述的一种自动循环控制的半实物仿真系统，其特征在于：

所述自动循环试验软件在进行参数装订时，使用TCP/IP协议与六自由度动力学模型连接，使用java封装后的https接口对六自由度动力学模块中的参数进行配置并启动模型计算；

所述六自由度动力学模块在计算过程中，自动循环试验软件以固定频率检查六自由度动力学模块的计算状态，以判断试验是否结束。

4.如权利要求1所述的一种自动循环控制的半实物仿真系统，其特征在于：

所述自动循环试验软件中部署的仿真上位机通过TCP/IP协议与程控电源系统连接；

所述程控电源系统通过供电电缆控制飞控计算机的配电和断电，以及舵机系统的配电和断电。

5.如权利要求1所述的一种自动循环控制的半实物仿真系统，其特征在于：

所述六自由度动力学模块接收到装订参数和启动模型计算信号后，启动模型计算；

所述六自由度动力学模块通过CAN总线与飞控计算机交互时序控制信息；

所述时序控制信息包括点火和关闭发动机的状态切换信号。

6.如权利要求5所述的一种自动循环控制的半实物仿真系统，其特征在于：

所述六自由度动力学模块将时间、速度和位置信息发送给组合导航模拟器；

所述六自由度动力学模块将角速率和视加速度信息发送给惯测组合模拟器；

所述组合导航模拟器基于时间、速度和位置信息生成模拟的组合导航信息通过CAN总线发送给飞控计算机；

所述惯测组合模拟器基于角速率和视加速度信息生成模拟的惯性导航脉冲数据通过CAN总线发送给飞控计算机。

7.如权利要求6所述的一种自动循环控制的半实物仿真系统，其特征在于：

所述六自由度动力学模块通过CAN总线获取舵机系统的舵机反馈信号，进行动力学模型解算，得到各飞行段内的视加速度、力矩、质量和转动惯量数据。

8.如权利要求7所述的一种自动循环控制的半实物仿真系统，其特征在于：

所述六自由度动力学模块还用于根据飞控计算机发出的运行状态切换信息对各飞行段数据进行实时切换，从自初始调平段开始，依次经过主动段、末修段、机动段直至落地的整个飞行过程。

9.如权利要求1所述的一种自动循环控制的半实物仿真系统，其特征在于：

所述飞控计算机用于进行飞行综合控制；

所述飞控计算机通过CAN总线接收Higale实时仿真系统发送的表征位置信息、姿态的脉冲数信息和组合导航定位信息，实时解算弹体的姿态和位置信息，依据制导、姿态控制算法实时解算舵机控制信号，并依据飞行状态发出时序命令，控制飞行器飞行。

10.如权利要求1所述的一种自动循环控制的半实物仿真系统，其特征在于：

所述舵机系统通过CAN总线接收飞控计算机发出的舵控制信号，并同步将舵控制信号反馈到六自由度动力学模型。

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