CN116243907A - 一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法 - Google Patents

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Abstract

一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，包括组合体动力学模型构建方法；快速模型封装及模型库构建方法；多构型变换航天器控制系统建模方法；模型自动连线与布局方法；仿真程序自动生成方法。本发明能够对C/C++语言编写的基本模型(包括敏感器模型、控制器模型、执行机构模型、动力学模型、环境模型等)，进行规范化和集中管理，形成可复用模型库，采用数字化手段，以图形化交互操作方式，能够快速搭建出多构型变换的航天器控制系统仿真模型，自动生成支持多构型变换的控制系统仿真程序，所述方法已在空间站研制过程中应用，解决了空间站多构型仿真难于维护的难题，显著提升研制效率。

Description

一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法
技术领域
本发明涉及一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，属于航天器控制系统设计技术领域。
背景技术
空间站包含核心舱、实验舱I和实验舱II，组装建造过程中还涉及到各个阶段与载人飞船和货运飞船的对接，总计几十种构型，多种控制模式。现有技术中，《一种航天器姿轨控仿真程序自动化生成方法》只支持单一构型的一个或多个航天器仿真，如果按照此方法对多种构型建立多套仿真程序，或者手工建立一套仿真程序并编辑构型间转换的代码，实现效率低，程序正确性难以保证。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，能够对C/C++语言编写的基本模型(包括敏感器模型、控制器模型、执行机构模型、动力学模型、环境模型等)，进行规范化和集中管理，形成可复用模型库，采用数字化手段，以图形化交互操作方式，能够快速搭建出多构型航天器GNC系统仿真模型，并进行数学仿真验证，既做到自主可控，又显著提升研制效率。
本发明的技术解决方案是：一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，包括：
通过单体航天器动力学模型构建组合体动力学模型；
对预设基本模型进行封装并构建模型库；
对多构型变换航天器控制系统进行建模，包括单体航天器建模、组合体航天器建模、飞行场景建模和飞行场景切换建模；
根据模型接口关系进行模型自动连线与布局；
基于仿真器模板生成仿真程序。
进一步地，所述组合体动力学模型包括：组合体姿态动力学仿真模块，组合体轨道动力学仿真模块，单体是否存在、单体与组合体之间的位置关系和相对姿态关系配置模块，从各单体产生的控制力和力矩转换为组合体的合力和合力矩的转换模块，从组合体姿态和轨道位置转换为各单体的姿态和位置的转换模块。
进一步地，所述单体航天器动力学模型包括将组合体动力学模型输出作为单体航天器动力学模型输入的接口，当该接口为空时，单体航天器动力学模型按照独立的单体动力学模型解算；当该接口不为空时，则将接收到的组合体动力学模型的输出信息作为本单体航天器动力学模型的动力学输出信息。
进一步地，所述对预设基本模型进行封装并构建模型库包括：
对预设的C/C++的基本模型的外部接口进行扫描，提取图形化建模所需的各种信息，包括接口和参数，形成模型的中性描述文件，完成对C/C++的基本模型的封装；
通过基础模型库，对经过封装的C/C++的基本模型进行集中管理，提供上传、下载和版本控制功能，为图形化的航天器控制系统建模提供基础数据。
进一步地，所述接口包括初始化函数、解算函数、指令响应函数、断点保存函数、断点恢复函数；所述参数包括初始化参数、输入参数、输出参数、接收指令表。
进一步地，所述对多构型变换航天器控制系统进行建模包括：
单体航天器建模：从模型库选取所需的模型，并完成所选模型的敏感器、控制器、执行机构、动力学、环境的输入和输出的连接，以及对模型进行初始化设置、解算设置、存储与显示设置，形成单体航天器模型；
组合体航天器建模：对单体航天器模型及预设基本模型进行输入和输出的连接，确定模型或航天器接口间的关系，形成组合体航天器模型；
飞行场景建模：确定场景中的航天器和航天器之间的关系；
飞行场景切换建模：布置各航天器所处场景的位置，再通过有方向的连线确定场景间的变迁关系。
进一步地，所述根据模型接口关系进行模型自动连线与布局包括：
步骤1：建立模型接口间是否可以连线的规则；
步骤2：依据规则确定可以连接的接口对的集合，进行连线；
步骤3：确定连线不能经过的模型所占区域；
步骤4：将整个布局区域离散化，划分成m行n列的网格；
步骤5：针对一条连线，确定起始点A和终止点B所在的网格位置；
步骤6：从A到B可通过的路径最短的网格的链表，经过简化得到连线的路径；
步骤7：重复步骤5至步骤6，完成所有模型的连线。
进一步地，所述模型接口间是否可以连线的规则包括：
一个输入接口与一个输出接口之间允许连接；两个输入接口之间不连接；两个输出接口之间不连接；
接口的类型相同时允许连接；
一个输入接口只有一条连线，而一个输出接口有一条或多条连线；
同一模型的接口间不相连。
进一步地，所述基于仿真器模板生成仿真程序包括：
代码生成器根据航天器控制系统建模信息和仿真器模板生成仿真器代码文件和仿真器工程描述文件，并拷贝模型源代码文件至代码生成目录；
利用VC工程生成器和工程描述文件，生成仿真器VC工程；
利用VC工程编译器将仿真器VC工程编译成仿真器dll。
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明基于模型驱动的设计理念，利用模型可复用性及模块化设计手段，直接从基础模型库中调用模型，免去了代码重复编写的工作，用于生成代码的总时间比全部手工编写代码节省了约2/3；
(2)本发明以图形化交互操作方式，图形化模块自动连线与布局，能够快速搭建出多构型航天器GNC系统仿真模型，并进行数学仿真验证，既做到自主可控，又显著提升研制效率；
(3)本发明通过构建组合体动力学和场景切换建模，突破了多构型变换等一类模型连接关系可变的航天器控制系统仿真问题，解决了空间站多构型仿真难于维护的难题。
附图说明
图1为本发明的仿真程序生成方法流程图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：通过单体航天器动力学模型构建组合体动力学模型；对预设基本模型进行封装并构建模型库；对多构型变换航天器控制系统进行建模；基于仿真器模板生成仿真程序；基于仿真器模板生成仿真程序。
所述通过单体航天器动力学模型构建组合体动力学模型，包括步骤如下：
步骤1：构建组合体动力学模型，组合体动力学模型包括组合体姿态动力学仿真模块，组合体轨道动力学仿真模块，单体是否存在、单体与组合体之间的位置关系和相对姿态关系配置模块，从各单体产生的控制力和力矩转换为组合体的合力和合力矩的转换模块，从组合体姿态和轨道位置转换为各单体的姿态和位置的转换模块；
步骤2：在单体航天器动力学模型中，增加将组合体模型输出作为单体航天器动力学输入的接口：当该接口为空(NULL指针)时，单体航天器动力学按照独立的单体动力学模型解算；当该接口不为空时，则将接收到的组合体模型输出信息作为本单体航天器的动力学输出信息。
所述对预设基本模型进行封装并构建模型库，包括步骤如下：
步骤1：模型封装对C/C++的基本模型的外部接口进行扫描，提取图形化建模所需的各种信息，主要包括两类：一是接口，包括初始化函数、解算函数、指令响应函数、断点保存函数、断点恢复函数等；二是参数，包括初始化参数、输入参数、输出参数、接收指令表(指令ID、指令名称、指令说明、指令参数)，形成模型的中性描述文件；
步骤2：通过基础模型库，对经过封装的C/C++模型进行集中管理，提供上传、下载和版本控制等功能，为图形化的航天器控制系统快速建模提供基础数据。
所述对多构型变换航天器控制系统进行建模，包括步骤如下：
步骤1：单体航天器建模，通过从模型库中拖动所需的模型到航天器中，将敏感器、控制器、执行机构、动力学、环境等基本模型进行输入/输出连接，并对模型进行初始化设置、解算设置、存储与显示设置等，形成单体航天器模型；
步骤2：组合体航天器建模，将单体航天器模型、基本模型等拖动到航天器中，进行输入/输出连接，以确定模型或航天器接口间的关系，形成组合体航天器模型；
步骤3：飞行场景建模，通过从航天器列表中拖动所需的航天器到场景中，以确定场景中的航天器和航天器之间的关系；
步骤4：飞行场景切换建模，通过从场景列表中拖动所需的场景到场景图中，并适当布置它们的位置，再通过有方向的连线确定场景间的变迁关系。
所述根据模型接口关系进行模型自动连线与布局，包括步骤如下：
步骤1：建立模型接口间是否可以连线的规则：
·一个输入接口与一个输出接口之间可以连接；两个输入接口之间不能连接；两个输出接口之间也不能连接；
·接口的类型相同时可以连接，实质是接口所代表的数据结构为同一个；
·一个输入接口只能有一条连线，而一个输出接口可以有多条连线；
·同一模型的接口间不能相连。
步骤2：依据规则确定可以连接的接口对的集合，进行连线；
步骤3：连线自动布局，首先确定模型所占区域，这些区域是连线不能经过的；
步骤4：将整个布局区域离散化，划分成m行n列的网格；
步骤5：针对一条连线，确定起始点A和终止点B所在的网格位置；
步骤6：算法变为寻找从A到B可通过的路径最短的网格的链表，经过简化得到连线的路径；
步骤7：重复步骤5至步骤6，直至遍历所有，完成所有模型的连线。
所述基于仿真器模板生成仿真程序，包括步骤如下：
步骤1：规范一种仿真器模板，实现了仿真的启动、停止、暂停、断点保存和恢复、指令注入、数据保存与同步等，能够满足控制系统仿真的监视和控制需求，实现指令控制和故障模式的仿真；
步骤2：代码生成器根据航天器控制系统建模信息和仿真器模板生成仿真器代码文件和仿真器工程描述文件，并拷贝模型源代码文件至代码生成目录；
步骤3：利用VC工程生成器(qmake.exe)和工程描述文件，生成仿真器VC工程；
步骤4：利用VC工程编译器(MSBuild.exe)将仿真器VC工程编译成仿真器dll。
在本申请实施例所提供的方案中，包括如下步骤：
步骤1：构建组合体动力学模型，组合体动力学模型包括组合体姿态动力学仿真模块，组合体轨道动力学仿真模块，单体是否存在、单体与组合体之间的位置关系和相对姿态关系配置模块，从各单体产生的控制力和力矩转换为组合体的合力和合力矩的转换模块，从组合体姿态和轨道位置转换为各单体的姿态和位置的转换模块；
步骤2：在单体航天器动力学模型中，增加将组合体模型输出作为单体航天器动力学输入的接口：当该接口为空(NULL指针)时，单体航天器动力学按照独立的单体动力学模型解算；当该接口不为空时，则将接收到的组合体模型输出信息作为本单体航天器的动力学输出信息。
通过组合体动力学模型的构建和单体航天器动力学模型增加接口的改造，实现单体航天器中敏感器、执行机构、动力学连接关系不变，在单体作为组合体体航天器中的一个子体时，仅需要把组合体模型和单体航天器动力学模型的连接关系进行配置，即可将该航天器作为组合体中的子体来使用。
步骤3：模型封装对C/C++的基本模型的外部接口进行扫描，提取图形化建模所需的各种信息，主要包括两类：一是接口，包括初始化函数、解算函数、指令响应函数、断点保存函数、断点恢复函数等；二是参数，包括初始化参数、输入参数、输出参数、接收指令表(指令ID、指令名称、指令说明、指令参数)，形成模型的中性描述文件；
步骤4：通过基础模型库，对经过封装的C/C++模型进行集中管理，提供上传、下载和版本控制等功能，为图形化的航天器控制系统快速建模提供基础数据。
步骤5：单体航天器建模，通过从模型库中拖动所需的模型到航天器中，将敏感器、控制器、执行机构、动力学、环境等基本模型进行输入/输出连接，并对模型进行初始化设置、解算设置、存储与显示设置等，形成单体航天器模型；
单体航天器模型以组件的形式存放在单体航天器列表中，可供组合体航天器建模使用。
步骤6：因为单体航天器建模时模型很多，连线也很多，如果直接连线，连线就会与模型重叠，图形会显得很乱，这就需要连线自动布局技术。
在连线自动布局时，首先确定模型所占区域，这些区域是连线不能经过的。然后将整个布局区域离散化，划分成m行n列的网格。m和n的大小需合适，太大算法所需时间变长，太小效果不好。针对一条连线，确定起始点A和终止点B所在的网格位置，算法变为寻找从A到B可通过的路径最短的网格的链表，最后经过简化得到连线的路径。
步骤7：组合体航天器建模，将单体航天器模型、基本模型等拖动到航天器中，进行输入/输出连接，以确定模型或航天器接口间的关系，形成组合体航天器模型；
利用已有单体模型，可快速完成大量不同构型的组合体建模。
步骤8：飞行场景建模，通过从航天器列表中拖动所需的航天器到场景中，以确定场景中的航天器和航天器之间的关系；
步骤9：飞行场景切换建模，通过从场景列表中拖动所需的场景到场景图中，并适当布置它们的位置，再通过有方向的连线确定场景间的变迁关系。
通过场景切换，实现了航天器多构型变换的仿真需求。
步骤10：规范一种仿真器模板，实现了仿真的启动、停止、暂停、断点保存和恢复、指令注入、数据保存与同步等，能够满足控制系统仿真的监视和控制需求，实现指令控制和故障模式的仿真；
步骤11：代码生成器根据航天器控制系统建模信息和仿真器模板生成仿真器代码文件和仿真器工程描述文件，并拷贝模型源代码文件至代码生成目录；
步骤12：利用VC工程生成器(qmake.exe)和工程描述文件，生成仿真器VC工程；
步骤13：利用VC工程编译器(MSBuild.exe)将仿真器VC工程编译成仿真器dll。
本申请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计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
需要说明的是，在本文中，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。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，其特征在于，包括：
通过单体航天器动力学模型构建组合体动力学模型；
对预设基本模型进行封装并构建模型库；
对多构型变换航天器控制系统进行建模，包括单体航天器建模、组合体航天器建模、飞行场景建模和飞行场景切换建模；
根据模型接口关系进行模型自动连线与布局；
基于仿真器模板生成仿真程序。
2.根据权利要求1所述的一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，其特征在于，所述组合体动力学模型包括：组合体姿态动力学仿真模块，组合体轨道动力学仿真模块，单体是否存在、单体与组合体之间的位置关系和相对姿态关系配置模块，从各单体产生的控制力和力矩转换为组合体的合力和合力矩的转换模块，从组合体姿态和轨道位置转换为各单体的姿态和位置的转换模块。
3.根据权利要求2所述的一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，其特征在于，所述单体航天器动力学模型包括将组合体动力学模型输出作为单体航天器动力学模型输入的接口，当该接口为空时，单体航天器动力学模型按照独立的单体动力学模型解算；当该接口不为空时，则将接收到的组合体动力学模型的输出信息作为本单体航天器动力学模型的动力学输出信息。
4.根据权利要求1所述的一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，其特征在于，所述对预设基本模型进行封装并构建模型库包括：
对预设的C/C++的基本模型的外部接口进行扫描，提取图形化建模所需的各种信息，包括接口和参数，形成模型的中性描述文件，完成对C/C++的基本模型的封装；
通过基础模型库，对经过封装的C/C++的基本模型进行集中管理，提供上传、下载和版本控制功能，为图形化的航天器控制系统建模提供基础数据。
5.根据权利要求4所述的一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，其特征在于，所述接口包括初始化函数、解算函数、指令响应函数、断点保存函数、断点恢复函数；所述参数包括初始化参数、输入参数、输出参数、接收指令表。
6.根据权利要求1所述的一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，其特征在于，所述对多构型变换航天器控制系统进行建模包括：
单体航天器建模：从模型库选取所需的模型，并完成所选模型的敏感器、控制器、执行机构、动力学、环境的输入和输出的连接，以及对模型进行初始化设置、解算设置、存储与显示设置，形成单体航天器模型；
组合体航天器建模：对单体航天器模型及预设基本模型进行输入和输出的连接，确定模型或航天器接口间的关系，形成组合体航天器模型；
飞行场景建模：确定场景中的航天器和航天器之间的关系；
飞行场景切换建模：布置各航天器所处场景的位置，再通过有方向的连线确定场景间的变迁关系。
7.根据权利要求1所述的一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，其特征在于，所述根据模型接口关系进行模型自动连线与布局包括：
步骤1：建立模型接口间是否可以连线的规则；
步骤2：依据规则确定可以连接的接口对的集合，进行连线；
步骤3：确定连线不能经过的模型所占区域；
步骤4：将整个布局区域离散化，划分成m行n列的网格；
步骤5：针对一条连线，确定起始点A和终止点B所在的网格位置；
步骤6：从A到B可通过的路径最短的网格的链表，经过简化得到连线的路径；
步骤7：重复步骤5至步骤6，完成所有模型的连线。
8.根据权利要求7所述的一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，其特征在于，所述模型接口间是否可以连线的规则包括：
一个输入接口与一个输出接口之间允许连接；两个输入接口之间不连接；两个输出接口之间不连接；
接口的类型相同时允许连接；
一个输入接口只有一条连线，而一个输出接口有一条或多条连线；
同一模型的接口间不相连。
9.根据权利要求1所述的一种图形化的多构型变换航天器控制系统仿真程序生成方法，其特征在于，所述基于仿真器模板生成仿真程序包括：
代码生成器根据航天器控制系统建模信息和仿真器模板生成仿真器代码文件和仿真器工程描述文件，并拷贝模型源代码文件至代码生成目录；
利用VC工程生成器和工程描述文件，生成仿真器VC工程；
利用VC工程编译器将仿真器VC工程编译成仿真器dll。
10.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～权利要求9任一所述方法的步骤。
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