[發明專利]剛-柔-液耦合復雜航天器仿真系統及方法

有效

• 申請號: 201710846116.0
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107703775B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 宗群;李勍;董琦;馮聰;彭麒麟
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28;G06F30/23;G05B17/02;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種剛-柔-液耦合復雜航天器仿真系統，其特征是，由三臺計算機，五臺實時xPC仿真目標機，以及一架三軸轉臺構成，其中一臺計算機為主控計算機，運行仿真系統主控平臺；一臺計算機為視景計算機，運行視景仿真平臺；一臺計算機為轉臺控制計算機，負責實現轉臺控制功能；整個系統硬件圍繞主控計算機即宿主機進行搭建：主控計算機與五臺xPC仿真目標機通過光纖連接并傳輸數據，運行控制器的xPC仿真目標機通過串口與轉臺控制計算機進行通信，由轉臺控制計算機接收控制器發來的指令，并通過異步傳輸標準接口串口與三軸轉臺進行通信，主控計算機通過以太網和視景計算機連接，驅動視景計算機中的剛-柔-液耦合復雜航天器模型運動；

主控計算機設置有數字仿真模塊、實時仿真模塊、數據管理模塊、性能評估模塊、網絡通信模塊；其中數字仿真模塊首先通過搭建可復用的回路，搭建剛-柔-液耦合復雜航天器模型庫和控制方法庫，模型庫包括計算流體動力學CFD(Computational?Fluid?Dynamics)法模型、有限元法模型、拉格朗日法模型，控制方法庫包括非線性反饋控制方法、自適應極點配置方法、輸入成形方法，在此基礎上，通過調用matlab?engine集成數字仿真功能，在模型庫和控制方法庫構建的過程中，通過將模型和控制方法的接口進行標準化操作，通過匹配任意模型和控制方法進行數字仿真，得到各種組合的仿真數據并分析性能的優劣；實時仿真模塊通過集成xPC?Target?C?API來構建主控平臺的實時仿真部分，實時監控高度、速度、液體溫度、攻角數據，并提供在線調參功能，得以在仿真進行的過程中隨時更改初始配置參數，觀察剛-柔-液耦合復雜航天器仿真變化情況；數據管理模塊基于關系型數據庫管理系統MySQL進行開發，通過MySQL提供的API函數集成仿真數據管理功能，不但管理剛-柔-液耦合復雜航天器的模型庫和方法庫，還實現對仿真數據的添加、修改、刪除；性能評估模塊是通過選取有效的性能評估指標從而建立性能評估體系，通過加權評估算法得到最終得分，直觀地評價剛-柔-液耦合復雜航天器的控制性能；網絡通信模塊采用用戶數據報協議UDP方式進行通信，集成于主控計算機之中，將剛-柔-液耦合復雜航天器飛行數據傳輸給視景平臺；轉臺控制模塊集成于轉臺控制計算機軟件中，而轉臺控制計算機是基于三軸轉臺提供的接口函數dfjzh9030控制卡函數庫進行設計的，通過對轉臺的上位機軟件進行二次開發，實現轉臺管理功能；

視景計算機采用Unity?3D游戲引擎構建，包括航天器模型庫、飛行場景庫、動作執行庫、人機交互界面庫以及音效系統庫了；航天器模型庫包含了各種剛-柔-液耦合復雜航天器模型，由直接面向設計方案創作過程的設計工具google?sketchup提供并完善，充分模擬剛-柔-液耦合復雜航天器中的太陽帆板以及液體燃料屬性，并作為預設prefab文件可以重復使用；飛行場景庫包含各種星空場景，采用Unity?3D的著色器程序shader技術開發，采用基于GPU的Cg語言進行編程；動作執行庫基于C#腳本語言實現，是指在脫離了仿真主控平臺數據傳輸的情況下，也可以自定義各種飛行動作；人機交互界面庫是指通過UGUI技術建立UI界面，通過一些按鈕、圖片執行對于平臺的操作；Unity?3d提供音效系統，將剛-柔-液耦合復雜航天器飛行過程中的音效納入系統中；

三軸轉臺在整個仿真系統中起到實物模擬的作用，是由其中的光電編碼器來實現對姿態的反饋，并針對反饋的誤差進行兩次補償控制，由此形成仿真系統閉環；進行補償控制的具體方法是通過比較反饋值與邏輯輸入值來得到差值，如果差值小于提前設定的閾值，則屬于控制精確的范疇，不需要補償控制；若差值比閾值大，則需要補償控制；在補償控制的過程中，將得到的偏差值作為邏輯輸入來控制轉臺旋轉，將旋轉結束后得到的反饋值與偏差值再比較一次，直到得到的偏差值小于設定的閾值，則停止控制；同時轉臺上位機軟件嵌入主控平臺之中，實現了在主控平臺進行實時仿真的同時，轉臺控制器接收航天器實時姿態信息從而精確模擬航天器飛行姿態。

2.一種用于實現權利要求1所述的剛-柔-液耦合復雜航天器仿真系統的方法，其特征是，利用三臺計算機，五臺實時xPC仿真目標機，以及一架三軸轉臺實現，其中一臺計算機為主控計算機，運行仿真系統主控平臺；一臺計算機為視景計算機，運行視景仿真平臺；一臺計算機為轉臺控制計算機，負責實現轉臺控制功能；整個系統硬件圍繞主控計算機即宿主機進行搭建：主控計算機與五臺xPC仿真目標機通過光纖連接并傳輸數據，運行控制器的xPC仿真目標機通過串口與轉臺控制計算機進行通信，由轉臺控制計算機接收控制器發來的指令，并通過RS232串口與三軸轉臺進行通信，主控計算機通過以太網和視景計算機連接，驅動視景計算機中的剛-柔-液耦合復雜航天器模型運動；

主控計算機設置有數字仿真模塊、實時仿真模塊、數據管理模塊、性能評估模塊、網絡通信模塊；其中數字仿真模塊首先通過搭建可復用的回路，搭建剛-柔-液耦合復雜航天器模型庫和控制方法庫，模型庫包括計算流體動力學CFD(Computational?Fluid?Dynamics)法模型、有限元法模型、拉格朗日法模型，控制方法庫包括非線性反饋控制方法、自適應極點配置方法、輸入成形方法，在此基礎上，通過調用matlab?engine集成數字仿真功能，在模型庫和控制方法庫構建的過程中，通過將模型和控制方法的接口進行標準化操作，通過匹配任意模型和控制方法進行數字仿真，得到各種組合的仿真數據并分析性能的優劣；實時仿真模塊通過集成xPC?Target?C?API來構建主控平臺的實時仿真部分，實時監控高度、速度、液體溫度、攻角數據，并提供在線調參功能，得以在仿真進行的過程中隨時更改初始配置參數，觀察剛-柔-液耦合復雜航天器仿真變化情況；數據管理模塊基于關系型數據庫管理系統MySQL進行開發，通過MySQL提供的API函數集成仿真數據管理功能，不但管理剛-柔-液耦合復雜航天器的模型庫和方法庫，還實現對仿真數據的添加、修改、刪除；性能評估模塊是通過選取有效的性能評估指標從而建立性能評估體系，通過加權評估算法得到最終得分，直觀地評價剛-柔-液耦合復雜航天器的控制性能；網絡通信模塊采用用戶數據報協議UDP方式進行通信，集成于主控計算機之中，將剛-柔-液耦合復雜航天器飛行數據傳輸給視景平臺。