CN117973077A - 一种投射式智能地雷的运动仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例是关于一种投射式智能地雷的运动仿真方法。该方法包括：获取智能雷的子雷的第一参数，通过所述第一参数建立所述子雷的动力学模型；在所述动力学模型的基础上，构建所述子雷的飞行动力学仿真程序；通过在所述仿真程序预编所述子雷的滚转角速度得到所述子雷的仿真运动。本公开实施例一方面判断了投射式智能地雷的运动稳定性，另一方面模拟出智能地雷的运动方式和轨迹。
Description
技术领域
本公开实施例涉及智能化武器仿真领域，尤其涉及一种投射式智能地雷的运动仿真方法。
背景技术
目前，智能地雷一般采用先进的红外探测器或毫米波雷达以及音响或震动传感器，并配有发射装置，能在远距离上主动攻击目标。反坦克智能雷的工作过程主要分为探测、弹射、扫描、爆炸和攻顶五个阶段。
全部作用力和力矩下雷体运动情况需要根据攻角方程解算攻角随弹道弧长的变化规律，如果攻角随弹道长度的增加以指数形式增大，即使有了很小的扰动也将使攻角不断增大，从而使智能雷飞行不稳定。如果攻角随弹道弧长衰减或者在一定范围内变化，就能判定智能雷是稳定的。因此我们以攻角的变化来判断智能雷飞行是否稳定。一般来讲智能雷完成一次从扫描到攻顶的过程绝大多数时间处于大攻角状态，并且攻角呈现周期性震荡。根据折线的疏密情况可以判断，随着射程的增加，攻角变化的频率逐渐增加，这对保持良好的扫描稳定性是不利的，因为角运动变化的越快，留给智能雷目标识别机构的反应时间越短。但总体来说，攻角被限制在一定的范围内，符合智能雷飞行稳定性的要求。
因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。
需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种投射式智能地雷的运动仿真方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本发明实施例提供一种投射式智能地雷的运动仿真方法，该方法包括：
获取智能雷的子雷的第一参数，通过所述第一参数建立所述子雷的动力学模型；
在所述动力学模型的基础上，构建所述子雷的飞行动力学仿真程序；
通过在所述仿真程序预编所述子雷的滚转角速度得到所述子雷的仿真运动。
本公开的一实施例中，所述子雷包括本体和扫描器，所述本体和所述扫描器刚性连接。
本公开的一实施例中，所述第一参数包括所述子雷的形状参数、所述本体的质量参数以及所述扫描仪的质量参数。
本公开的一实施例中，在所述动力学模型的基础上，构建所述子雷的飞行动力学仿真程序的步骤中，所述仿真程序采用四阶龙格库塔法对所述子雷的飞行扫描运动状态的第二参数进行计算。
本公开的一实施例中，所述第二参数包括所述子雷的俯仰角度、偏航角度、滚转角度、俯仰角速度、偏航角速度、发射初速度，水平横向发射速度、水平纵向发射速度以及竖直方向发射速度。
本公开的一实施例中，所述第二参数设有初始值和临界值。
本公开的一实施例中，所述扫描器的扫描角度小于60°。
本公开的一实施例中，所述扫描器的扫描角度变化幅度为±7°。
本公开的一实施例中，所述子雷的仿真运动根据设置攻角的参数确定。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本公开的实施例中，根据上述本发明提出了一种投射式智能地雷的运动仿真方法，一方面在所述动力学模型的基础上，构建所述子雷的飞行动力学仿真程序，模拟出智能地雷的运动方式和轨迹；另一方面通过在所述仿真程序预编所述子雷的滚转角速度得到所述子雷的仿真运动，判断了投射式智能地雷的运动稳定性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出本公开示例性实施例中一种投射式智能地雷的运动仿真方法步骤图；
图2示出本公开示例性实施例中智能地雷的子雷结构示意图；
图3示出本公开示例性实施例中滚转角速度为6r/s时子雷飞行状态示意图；
图4示出本公开示例性实施例中滚转角速度为7r/s时子雷飞行变化示意图；
图5示出本公开示例性实施例中滚转角速度为8r/s时子雷飞行变化示意图；
图6示出本公开示例性实施例中滚转角速度为9r/s时子雷飞行变化示意图；
图7示出本公开示例性实施例中滚转角速度为17r/s时子雷飞行变化示意图；
图8示出本公开示例性实施例中滚转角速度为18r/s时子雷飞行变化示意图；
图9示出本公开示例性实施例中滚转角速度为19r/s时子雷飞行变化示意图；
图10示出本公开示例性实施例中滚转角速度为35r/s时子雷飞变化态示意图。
附图标记：100、本体；200、扫描器。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
智能地雷包括探测装置、发射装置、战斗部。其中发射装置可以理解为母雷，战斗部理解为子雷或者刚体，反坦克智能地雷的作用原理为：首先将智能地雷进行布置，检查其电子设备，设置武器的生命周期并对保险装置进行解除。接着智能地雷处于静默状态，探测装置对目标进行侦察、追踪和识别。当发现目标时，传感器识别声音和震动，当传递给传感器的信号变强时，系统处理器对信号源进行分析识别，识别目标后，中央控制器命令随动系统对目标进行跟踪，并分析目标的运动轨迹，调整合理的发射位置，并进行弹道计算，当目标进入智能地雷的杀伤范围时，在合适时间进行点火，智能地雷的母雷将子雷发射，子雷的扫描器200对地面目标进行扫描，扫描形成了椭圆形轨迹。一旦扫描到坦克，子雷发射弹丸，对坦克实现攻击。
需要理解的是，本申请主要仿真智能地雷的子雷从母雷发射到发射弹丸之前的飞行运动过程。
本示例实施方式中提供了一种投射式智能地雷的运动仿真方法。参考图1中所示，该智能雷投射稳定性的验证方法可以包括：步骤S101～步骤S103。
步骤S101：获取智能雷的子雷的第一参数，通过所述第一参数建立所述子雷的动力学模型；
步骤S102：在所述动力学模型的基础上，构建所述子雷的飞行动力学仿真程序；
步骤S103：通过在所述仿真程序预编所述子雷的滚转角速度得到所述子雷的仿真运动。
通过上述一种投射式智能地雷的运动仿真方法的验证方法，一方面在所述动力学模型的基础上，构建所述子雷的飞行动力学仿真程序，模拟出智能地雷的运动方式和轨迹；另一方面通过在所述仿真程序预编所述子雷的滚转角速度得到所述子雷的仿真运动，判断了投射式智能地雷的运动稳定性。
下面，将参考图1至图10对本示例实施方式中的上述智能雷投射稳定性的验证方法的各个步骤进行更详细的说明。
步骤S101：获取智能雷的子雷的第一参数，通过所述第一参数建立所述子雷的动力学模型。
具体的，智能雷被抛射到空中后，其扫描轨迹不仅决定其毁伤效率，而且能反映智能雷飞行姿态的变化和飞行稳定性。要模拟反坦克智能地雷的运动方式和扫描轨迹，在子雷飞行不翻转的条件建立反坦克智能雷弹道动力学模型，即通过智能雷的子雷形状参数导出弹道动力学模型。
根据子雷的参数建立坐标系，根据智能雷六自由度弹道方程(即质心运动方程和绕心运动方程)。方程组建立如下：
根据牛顿定律列出刚体的质心动力学方程，式中m1,m2为智能地雷的本体100和扫描器200的质量，将这些方程向地面坐标系O-X2Y2Z2上投影得到：
根据质心运动方程组组成质心动力学方程组，表达式包括：
其中
为智能地雷的本体100质心/>处的速率；/>为智能地雷的扫描器200质心C2处的速率；Sm2为智能地雷的扫描器200的迎风面积；SmO为智能地雷的本体100的迎风面积。此外，还存在如下关系：
使用动量矩定理得到用雷体坐标系三轴上分量表示的智能雷绕心转动方程。
其中为智能雷子雷的角速度，ωx,ωy,ωz是/>在本体100坐标系O-X3Y3Z3上各轴的投影，A、B、C、D为与智能雷子雷转动惯量有关的物理量。
导出描述智能雷刚体飞行运动情况的动力学方程，即方程组(2)和(4)，共有十二个未知数，分别是描述本体100质心O运动情况的6个参数XO,YO,ZO,VOX,VOY,VOZ，以及描述刚体角运动的6个参数：α,β,γ,ωX,ωY,ωZ(俯仰角、滚转角、偏航角、绕x轴的角速度、绕y轴角速度、绕z轴的角速度)。根据12个微分方程并结合给定的12个积分初始条件就可以联立求解。根据12个微分方程并结合给定的12个积分初始条件就可以联立求解为现有技术，此处不做赘述。
步骤S102：在所述动力学模型的基础上，构建所述子雷的飞行动力学仿真程序。
具体的，智能雷飞行稳定的条件是从出炮口到完成攻击，弹丸的攻角逐渐衰减，或者保持在一定的范围内，也可以根据弹丸的角运动是否呈现一定的规律性来判断弹丸是否飞行稳定。如果攻角在弹丸飞行过程中急剧增大，说明弹丸角运动呈现无规律性，飞行极不平稳，不但达不到预期射程，而且很有可能发生翻转而失去作战能力。在前述建立智能雷飞行过程动力学模型的基础上，编写了智能雷飞行动力学仿真程序，运用四阶龙格库塔法在计算机上求解给定外形智能雷的飞行扫描运动状态参数，通过调整智能雷系统的参数(结构尺寸、发射初始条件等)，多次模拟智能雷在空中的飞行姿态。最后判断出算例中的智能雷是否稳定飞行和影响其飞行扫描稳定性的因素，即通过计算机仿真在改变某些初始条件的情况下分析智能雷的稳定性，并计算满足稳定性要求的临界条件。
步骤S103：通过在所述仿真程序预编所述子雷的滚转角速度得到所述子雷的仿真运动。
在一实施例中，如图2所示，子雷的本体100直径为150毫米，高度为120毫米的圆柱，子雷的扫描器200为长度为15毫米，宽度为15毫米，高度为24毫米的长方体结构。根据实际情况需要扫描角不能超过60°，否则EFP将无法命中目标；扫描角大于90度智能雷将会翻转。在其他姿态角初始量不变的前提下我们通过变动滚转角速度的值影响子弹药的稳定性。初始条件：发射时，俯仰角,偏航角β＝0，滚转角γ＝0，俯仰角速度为0，偏航角速度为0，发射初速度,水平横向发射速度,水平纵向发射速度,竖直方向发射速度VOZ＝40m/s。
表1为不同滚转角速度对子雷飞行参数的影响
如图6所示，当滚转角速度是6r/s时，子雷飞行参数的影响使雷体翻转，滚转角速度不大于6r/s时子雷在空中翻转。
如图7-10所示，滚转角速度在9r/s到17r/s之间时，雷体达到飞行稳定性和扫描稳定性要求。扫描角随滚转角速度的增大先减小后增大，扫描角减小的原因是雷体稳定性提高，增大的原因是雷体绕雷轴高速旋转时扫描器200对雷体提供一个惯性偏转力矩。
雷体达到飞行稳定性和扫描稳定性要求时，扫描角随滚转角速度的增大而增大，但是增大的幅度很小。稳定扫描时扫描角的变化范围约为±7°。
滚转角速度越大，子雷飞行的横向偏移量越小，并且扫描范围越大，但是射程几乎不变。这说明在满足扫描角要求的情况下滚转角速度越大子雷飞行越稳定，扫描性能越好。
进一步的，通过变化发射初始条件指标影响智能雷飞行稳定性，智能雷发射各初始条件对智能雷的飞行稳定性影响各不相同，甚至相互抵触、矛盾。
每对应一个发射角，智能雷的自转角速度都有一个满足稳定性要求(不翻转并且扫描角不得大于60°)的上限和下限。在满足扫描角要求的情况下自转角速度越大子雷飞行越稳定，扫描性能越好。
改变俯仰角、偏航角、俯仰角速度和偏航角速度都会使智能雷光轴倾斜程度增大，不恰当的初始值会对智能雷的稳定性有不利影响。因此这些初始角和角速度都有临界值。而增加偏航角会增大扫描圆的横向偏移，即使扫描圆偏向Y轴的一侧，并且减小扫描圆的覆盖范围，这导致扫描光轴照射区域偏离目标所在区域，对攻击不利。初始俯仰角速度在稳定性要求的区间内时，俯仰角速度任意变动不会影响子雷的稳定飞行。扫描轨迹的横向覆盖范围会随着偏航角速度的增加而增大。
通过上述智能雷投射稳定性的验证方法，一方面在所述动力学模型的基础上，构建所述子雷的飞行动力学仿真程序，模拟出智能地雷的运动方式和轨迹；另一方面通过在所述仿真程序预编所述子雷的滚转角速度得到所述子雷的仿真运动，判断了投射式智能地雷的运动稳定性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (9)
1.一种投射式智能地雷的运动仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取智能雷的子雷的第一参数，通过所述第一参数建立所述子雷的动力学模型；
在所述动力学模型的基础上，构建所述子雷的飞行动力学仿真程序；
通过在所述仿真程序预编所述子雷的滚转角速度得到所述子雷的仿真运动。
2.根据权利要求1所述的投射式智能地雷的运动仿真方法，其特征在于，所述子雷包括本体和扫描器，所述本体和所述扫描器刚性连接。
3.根据权利要求2所述的投射式智能地雷的运动仿真方法，其特征在于，所述第一参数包括所述子雷的形状参数、所述本体的质量参数以及所述扫描仪的质量参数。
4.根据权利要求1所述的投射式智能地雷的运动仿真方法，其特征在于，在所述动力学模型的基础上，构建所述子雷的飞行动力学仿真程序的步骤中，所述仿真程序采用四阶龙格库塔法对所述子雷的飞行扫描运动状态的第二参数进行计算。
5.根据权利要求1所述的投射式智能地雷的运动仿真方法，其特征在于，所述第二参数包括所述子雷的俯仰角度、偏航角度、滚转角度、俯仰角速度、偏航角速度、发射初速度，水平横向发射速度、水平纵向发射速度以及竖直方向发射速度。
6.根据权利要求4所述的投射式智能地雷的运动仿真方法，其特征在于，所述第二参数设有初始参数和临界参数。
7.根据权利要求2所述的投射式智能地雷的运动仿真方法，其特征在于，所述扫描器的扫描角度小于60°。
8.根据权利要求7所述的投射式智能地雷的运动仿真方法，其特征在于，所述扫描器的扫描角度变化幅度为±7°。
9.根据权利要求1所述的投射式智能地雷的运动仿真方法，其特征在于，所述子雷的仿真运动根据设置攻角的参数确定。
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