[发明专利]固液动力巡航飞行器飞行任务规划仿真系统

摘要

本发明公开了一种固液动力巡航飞行器飞行任务规划仿真系统，由用户操作界面和飞行器仿真模型和图形数据处理模块组成。用户操作界面主要进行人机交互，飞行方案设计，飞行数据分析；仿真模型主要进行后台运算，设计方案运行；数据图形处理模块主要完成仿真结束后的数据存储和图形显示。固液动力巡航飞行器飞行任务规划仿真系统主要完成以下功能，第一项是方案弹道规划功能，实现多样的飞行方案的巡航高度，巡航时间，巡航速度；第二项是完成控制方案规划和参数整定功能，选择不同的控制律方案。第三项是完成仿真数据存储、分析和弹道轨迹的显示功能。该仿真系统解决了巡航飞行器方案弹道、控制方案、仿真数据一体化设计融合问题。并针对固液动力巡航飞行器的特点，实现总体设计方案的仿真与验证。

主权项

一种固液动力巡航飞行器飞行任务规划仿真系统，包括人机交互界面、飞行器仿真模型、数据图形处理系统；飞行器仿真模型包括时序控制模块、质量模块、发动机动力模块、气动力和气动力矩模块、飞行器六自由度模块、飞行控制模块、导航模块、环境模块和动力系数模块；时序控制模型生成模型仿真时序，提供全局仿真时间，为其他各个模块提供精确的时间控制，同时根据弹道规划的要求生成弹道特征点，弹道特征点包括离轨点、启控点、转平点、变推力点、弃控点，生成的特征点输出给飞行控制模块和发动机动力模块，使飞行控制模块在特征点做出不同的程序弹道方程的选择和控制方式的选择，使发动机动力模块进行变推力；质量模型模拟飞行器飞行过程中质量、质心和惯性矩的变化；模型输入时序仿真模块提供的仿真时间，经过质量插值子模块对质量进行插值，生成飞行过程中飞行器的质量，得到的实时质量经过质心和惯性矩插值子模块对质心和惯性矩进行插值，得到实时质心和惯性矩；生成的质量、质心和惯性矩输入到飞行器六自由度模块和气动力和气动力矩模块，作为解算气动力矩和六自由度方程的输入参数；发动机动力模型仿真固液火箭发动机推力，设有变推力模块，验证发动机的长时间稳定燃烧和变推力的特性，同时模拟真实情况在模型中加入外界压强对发动机性能影响和发动机安装的偏心修正子模块，模型输入时序控制模块提供的仿真时间，经过推力插值子模块对推力进行插值，生成飞行过程中所需的推力，推力经过偏心修正子模块，进行修正；得到的推力输出给飞行器六自由度模块，作为解算方程的动力参数；气动力和气动力矩模型生成飞行器飞行过程中所受的气动力和力矩，通过内部气动插值模块，验证理论计算的气动参数，反馈到弹体气动布局，气动力和气动力矩模型中加入气动修正子模块，合理接近现实模型；飞行器六自由度模块输出的三轴角速度、三轴速度、马赫数和动压以及攻角、侧滑角；飞行控制模块输出的三通道舵偏量作为气动力和气动力矩模型模块的输入参数，参数经过内部气动插值模块，得到气动力和气动力矩，经过气动修正子模块，进行气动力和力矩的修正，修正后的气动力和气动力矩作为飞行器六自由度模块的输入参数，作为解算方程的气动参数；六自由度飞行模块进行飞行器六自由度方程的解算，得出飞行状态，包括姿态角、航迹 角、空间位置、飞行速度，姿态角速度、飞行过载；由质量模块输出的质量和惯性矩参数，发动机动力模块输出的推力参数和气动力和气动力矩模块输出的气动参数作为输入，进行微分方程的解算，并经过坐标系转换到不同的坐标下的飞行状态；解算出的速度、高度作为环境模块的参数输入，计算的飞行参数又反馈给气动力矩模块进行气动计算，两者相互耦合，飞行参数包括三轴角速度、三轴速度、马赫数和动压以及攻角、侧滑角；飞行控制模块用来对飞行器飞行过程中姿态和航迹进行控制，生成的舵控信号，经过舵系统模块，获得舵偏量，使飞行器按期望的飞行姿态和弹道飞行；飞行控制模块能够进行不同控制方案的选择，采用三通道解耦经典PID控制方式结合高度PID控制，达到定高定速巡航目的；由六自由度飞行模块输出的角速度、姿态角和位置作为参数，通过导航模块中的陀螺仪和角速度计的数学模型，得出量测的角速度和姿态角，作为飞行控制模块的输入参数，与实时解算期望弹道形成负反馈，进行三通道PID控制，解算出舵偏控制量，生成的舵偏量作为参数传递给气动力和气动力矩模块进行气动系数解算，再通过舵机的数学模型和舵分配方程，形成最终的舵机角度参数；导航模块模拟惯性导航组件的工作特性，惯性导航组件包括陀螺仪、角速度计；导航模块作为连接飞行控制模块和六自由度飞行模块的中间模块，输入参数为六自由度飞行模型输出的角速度、姿态角，经过模块中的陀螺仪和加速度计的数学模型，获取符合实际的角速度、姿态角，生成的参数作为飞行控制模块的输入参数；大气模块模拟大气中的空气密度、压强、音速、重力加速度随高度和速度变化的规律以及阵风干扰；六自由度飞行模块实时解算的速度和高度信息作为模块的输入参数，通过模块中的重力加速度子模块、压强，空气密度，音速子模块和阵风模块，计算出当前飞行器飞行状态下的空气密度，压强，音速，重力加速度和阵风参数，输出到发动机动力模块、气动力矩模块和飞行器六自由度模块；动力系数模块生成控制系统分析的动力系数，分析控制系统的稳态和动态性能；该模块与质量模块和飞行器六自由度模块相连，质量模块的质量参数和惯性矩参数，飞行器六自由度模块的速度参数和角度参数作为输入参数，通过动力系数方程解算模块，得到所需的动力系数，存储在工作空间中；人机交互界面包括弹道规划区、控制方案规划区、环境干扰功能区、初始参数设置功能 区、仿真控制操作区和数据图形存储分析区；弹道规划区，由用户输入巡航高度、巡航速度和巡航时间，通过对复选框进行操作，选择相应的方案弹道形式；通过编辑框的消息响应函数覆盖初始化提供的巡航高度、速度和时间；复选框的响应函数生成弹道形式的标志位，飞行控制模块根据标志位选择对应的弹道形式；控制方案规划区，用户根据仿真的需要进行三通道PID控制参数的整定，输入俯仰通道PID控制参数、偏航通道PID控制参数和滚转通道PID参数，通过编辑框的消息响应函数覆盖初始提供的对应的PID参数，复选框的响应函数生成程序弹道控制律的选择标志位，飞行控制模块根据标志位选择对应的控制律；环境干扰功能区，用户根据发射环境的要求，设置是否进行阵风干扰，同时通过选择不同的高度，输入当地的阵风速率，生成当地的阵风插值数组，复选框生成阵风启用标志位作为飞行器仿真模型中环境模块的输入；气动修正系数编辑框响应函数将用户设定的修正系数覆盖初始化的修正系数；初始参数设置功能区，点击一键初始化按钮，按钮控件响应函数将飞行器初始化参数文件运行，完成飞行器仿真模型全局初始化，初始化参数赋值到各个仿真模块；发射角度、变推力时间、出架速度等参数的修改需点击确认键进行参数覆盖的确认；该功能区的输入参数是由用户根据实际的需要进行调整，所修改的参数，加载到飞行器仿真模型；仿真控制操作区，该区域完成模型运行和停止的功能；点击开始按钮，该按钮控件响应函数响应命令，启动飞行器仿真模块；设定的仿真时间配置到模型仿真时间；数据图形存储分析区，该区域完成数据存储和图形显示功能，点击存储设置按钮，调出文件保存的路径设置对话框，默认存储文件格式为*.xls，由用户指定存储路径，单击保存按钮，即设置完毕；数据选择中列出所要保存的数据，用户根据需要选择相应的数据进行存储；图形选择二维或者三维，消息响应函数生成显示标志，供图形显示模块进行判断，进行对应图形显示函数的调用；数据图形存储分析区，生成指定的Excel数据文件，并存储到指定路径；采用三维立体地形匹配巡航轨迹图，实时显示飞行器飞行弹道；数据图形处理系统包括数据存储模块、图形显示模块；数据存储模块对用户指定的参数以Excel形式存储到指定路径，其输入参数为飞行器仿真模型解算出来的飞行状态参数，包括位置、速度、角速度和角度；图形显示模块，分为二维显示和三维显示，主要输入参数为飞行器的位置信息，生成用户直观显示的图形。