刚‑柔‑液耦合复杂航天器仿真系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及航天器仿真技术，为提出一个仿真系统，实现包括实时数值仿真、半实物仿真以及视景显示在内的全方位刚‑柔‑液耦合复杂航天器仿真。本发明专利技术，刚‑柔‑液耦合复杂航天器仿真系统，由三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台构成，其中一台计算机为主控计算机，运行仿真系统主控平台；一台计算机为视景计算机，运行视景仿真平台；一台计算机为转台控制计算机，负责实现转台控制功能；主控计算机与五台xPC仿真目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接。本发明专利技术主要应用于航天器仿真场合。

Just soft liquid coupling of complex spacecraft simulation system and method

The present invention relates to a spacecraft simulation technology, a simulation system is proposed, including the full range of real time numerical simulation, semi physical simulation and visual display, just soft fluid coupling simulation of complex spacecraft. The present invention, just soft liquid coupling of complex spacecraft simulation system, composed of three computers, five sets of xPC real-time simulation target machine, and a three axis turntable, which is mainly a computer control computer, the main control platform operation simulation system; a computer visual computing machine operation visual simulation platform a computer; for the turntable control computer, is responsible for the implementation of the turntable control function; the main control computer with five xPC simulation target machine data transmission through the optical fiber connection and operation controller xPC simulation target machine through the serial port and the communication of the turntable control computer, the host computer is connected by Ethernet and visual computer. The invention is mainly used in the simulation of spacecraft.

【技术实现步骤摘要】
刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统及方法
本专利技术涉及实时数值仿真、网络通信、半实物仿真、计算机编程和视景显示等领域，尤其涉及一种基于xPCTarget(一种高性能的主机-目标机构原型环境，同xPC，下同)的刚-柔-液耦合复杂航天器仿真平台。
技术介绍
随着对空间研究、开发与应用能力的不断提高，我国需要研制并发射大量面向各种任务要求的航天器，航天器的结构组成日趋复杂：从传统的刚-柔/刚-液航天器转变为复杂的刚-柔-液航天器。如何使得刚-柔-液耦合复杂航天器在空间环境中具有灵活的机动能力和较高的稳定能力，更加稳定、高质量地在轨运行与服务，已成为目前航天
亟待解决的重要问题。为了真实反映刚-柔-液耦合复杂航天器的特性，在航天研究中需要对航天器进行建模，而刚-柔-液耦合复杂航天器建模具有如下难点：模型方面，模型的刚-柔-液耦合特性难以分析，稳定条件难以获取；姿态稳定方面，液体燃料晃动及柔性附件振动难以抑制，姿态控制精度低；姿态机动方面，强烈液体晃动情况下，难以兼顾机动快速性及液体燃料晃动强度。在进行刚-柔-液耦合复杂航天器Simulink(MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，下同)仿真的基础上，将高性能实时仿真设备应用到仿真过程当中，从而达到提高仿真精度的目的。当下主流的实时仿真装置是xPCTarget。xPCTarget是一套应用于产品原型测试、实时系统配置及开发的PC机解决方案，由Matlab(美国MathWorks公司出品的商业数学软件，下同)提供，采用的是宿主机-目标机结构，具有实时性好、扩展性高、可靠性强等一系列优点，xPC的应用在航天器仿真过程研究中均具有重要的意义。模型的复杂化不断加深的同时，对于真实航天器的模拟越来越逼真，例如六自由度模型就能够逼真的反映刚-柔-液耦合复杂航天器在飞行过程中的速度以及角度变化。半实物仿真是介于数字仿真与实物实验之间的过程，能够保证仿真系统可以最大限度的接近真实实验情况。通过半实物仿真技术，可以将一些实物设备加入到仿真回路中进行仿真。本专利技术运用半实物仿真原理，设计并开发三轴仿真转台，以半实物仿真的形式对刚-柔-液耦合复杂航天器飞行姿态的进行呈现。在新时代的航天器仿真研究的过程中，学科的交叉起到了十分重要的作用。其中一个关键的产物就是视景仿真技术，它是结合了计算机图形学和3D仿真等相关技术的应用。所有的3D开发底层都必须遵循OpenGL(全称OpenGraphicsLibrary，是指定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口，下同)或DirectX(DirecteXtension，是由微软公司创建的多媒体编程接口，下同)标准，并且高级语言和图形库的出现进一步推动了三维视景仿真的进步。21世纪以来，随着3D技术的不断发展，一些游戏引擎应运而生。时下比较主流的的3D游戏引擎包括Unity3D、BigWorld、CryEngine、Unreal4等。游戏引擎可以解决游戏开发时可能出现的各类问题，并向开发者提供一套通用的基础设施。对于视景平台开发而言，游戏引擎提供了视景开发所需的全套解决方案。综上所述，仿真研究是当前刚-柔-液耦合复杂航天器研究的重要组成部分，而实时数值仿真、半实物仿真、视景仿真等是仿真过程中的重要环节。实时数值仿真是在simulink数字仿真环境的基础上，配以先进的实时仿真设备实现实时数据观测、曲线绘制以及在线调参等功能；半实物仿真则是在数值仿真的基础上，通过接收仿真过程中产生的数据由实物模拟航天器的飞行过程，使得仿真效果更加逼真直观；视景仿真则利用Unity3D技术实现了对航天器飞行过程的可视化任务，可以增强仿真的真实性，同时更有利于研究人员了解及认识整个实验过程。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一个仿真系统，实现包括实时数值仿真、半实物仿真以及视景显示在内的全方位刚-柔-液耦合复杂航天器仿真。为此，本专利技术采用的技术方案是，刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统，由三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台构成，其中一台计算机为主控计算机，运行仿真系统主控平台；一台计算机为视景计算机，运行视景仿真平台；一台计算机为转台控制计算机，负责实现转台控制功能；整个系统硬件围绕主控计算机即宿主机进行搭建：主控计算机与五台xPC仿真目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，由转台控制计算机接收控制器发来的指令，并通过RS232(异步传输标准接口，下同)串口与三轴转台进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接，驱动视景计算机中的刚-柔-液耦合复杂航天器模型运动。主控计算机设置有数字仿真模块、实时仿真模块、数据管理模块、性能评估模块、网络通信模块；其中数字仿真模块首先通过搭建可复用的回路，搭建刚-柔-液耦合复杂航天器模型库和控制方法库，模型库包括计算流体动力学CFD(ComputationalFluidDynamics)法模型、有限元法模型、拉格朗日法模型，控制方法库包括非线性反馈控制方法、自适应极点配置方法、输入成形方法，在此基础上，通过调用matlabengine集成数字仿真功能，在模型库和控制方法库构建的过程中，通过将模型和控制方法的接口进行标准化操作，通过匹配任意模型和控制方法进行数字仿真，得到各种组合的仿真数据并分析性能的优劣；实时仿真模块通过集成xPCTargetCAPI来构建主控平台的实时仿真部分，实时监控高度、速度、液体温度、攻角等数据，并提供在线调参功能，得以在仿真进行的过程中随时更改初始配置参数，观察刚-柔-液耦合复杂航天器仿真变化情况；数据管理模块基于关系型数据库管理系统MySQL进行开发，通过MySQL提供的API函数集成仿真数据管理功能，不但管理刚-柔-液耦合复杂航天器的模型库和方法库，还实现对仿真数据的添加、修改、删除；性能评估模块是通过选取有效的性能评估指标从而建立性能评估体系，通过加权评估算法得到最终得分，直观地评价刚-柔-液耦合复杂航天器的控制性能；网络通信模块采用用户数据报协议UDP方式进行通信，集成于主控计算机之中，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行数据传输给视景平台。转台控制模块集成于转台控制计算机软件中，而转台控制计算机是基于三轴转台提供的接口函数dfjzh9030控制卡函数库进行设计的，通过对转台的上位机软件进行二次开发，实现转台管理功能。视景计算机采用Unity3D游戏引擎构建，包括航天器模型库、飞行场景库、动作执行库、人机交互界面库以及音效系统库了；航天器模型库包含了各种刚-柔-液耦合复杂航天器模型，由直接面向设计方案创作过程的设计工具googlesketchup提供并完善，充分模拟刚-柔-液耦合复杂航天器中的太阳帆板以及液体燃料等特殊属性，并作为预设prefab文件可以重复使用；飞行场景库包含各种星空场景，采用Unity3D的着色器程序shader技术开发，采用基于GPU的Cg语言进行编程；动作执行库基于C#脚本语言实现，是指在脱离了仿真主控平台数据传输的情况下，也可以自定义各种飞行动作；人机交互界面库是指通过UGUI技术建立UI界面，通过一些按钮、图片执行对于平台的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种刚‑柔‑液耦合复杂航天器仿真系统，其特征是，由三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台构成，其中一台计算机为主控计算机，运行仿真系统主控平台；一台计算机为视景计算机，运行视景仿真平台；一台计算机为转台控制计算机，负责实现转台控制功能；整个系统硬件围绕主控计算机即宿主机进行搭建：主控计算机与五台xPC仿真目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，由转台控制计算机接收控制器发来的指令，并通过异步传输标准接口串口与三轴转台进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接，驱动视景计算机中的刚‑柔‑液耦合复杂航天器模型运动。

【技术特征摘要】
1.一种刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统，其特征是，由三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台构成，其中一台计算机为主控计算机，运行仿真系统主控平台；一台计算机为视景计算机，运行视景仿真平台；一台计算机为转台控制计算机，负责实现转台控制功能；整个系统硬件围绕主控计算机即宿主机进行搭建：主控计算机与五台xPC仿真目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，由转台控制计算机接收控制器发来的指令，并通过异步传输标准接口串口与三轴转台进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接，驱动视景计算机中的刚-柔-液耦合复杂航天器模型运动。2.如权利要求1所述的刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统，其特征是，主控计算机设置有数字仿真模块、实时仿真模块、数据管理模块、性能评估模块、网络通信模块；其中数字仿真模块首先通过搭建可复用的回路，搭建刚-柔-液耦合复杂航天器模型库和控制方法库，模型库包括计算流体动力学CFD(ComputationalFluidDynamics)法模型、有限元法模型、拉格朗日法模型，控制方法库包括非线性反馈控制方法、自适应极点配置方法、输入成形方法，在此基础上，通过调用matlabengine集成数字仿真功能，在模型库和控制方法库构建的过程中，通过将模型和控制方法的接口进行标准化操作，通过匹配任意模型和控制方法进行数字仿真，得到各种组合的仿真数据并分析性能的优劣；实时仿真模块通过集成xPCTargetCAPI来构建主控平台的实时仿真部分，实时监控高度、速度、液体温度、攻角等数据，并提供在线调参功能，得以在仿真进行的过程中随时更改初始配置参数，观察刚-柔-液耦合复杂航天器仿真变化情况；数据管理模块基于关系型数据库管理系统MySQL进行开发，通过MySQL提供的API函数集成仿真数据管理功能，不但管理刚-柔-液耦合复杂航天器的模型库和方法库，还实现对仿真数据的添加、修改、删除；性能评估模块是通过选取有效的性能评估指标从而建立性能评估体系，通过加权评估算法得到最终得分，直观地评价刚-柔-液耦合复杂航天器的控制性能；网络通信模块采用用户数据报协议UDP方式进行通信，集成于主控计算机之中，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行数据传输给视景平台；转台控制模块集成于转台控制计算机软件中，而转台控制计算机是基于三轴转台提供的接口函数dfjzh9030控制卡函数库进行设计的，通过对转台的上位机软件进行二次开发，实现转台管理功能。3.如权利要求1所述的刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统，其特征是，视景计算机采用Unity3D游戏引擎构建，包括航天器模型库、飞行场景库、动作执行库、人机交互界面库以及音效系统库了；航天器模型库包含了各种刚-柔-液耦合复杂航天器模型，由直接面向设计方案创作过程的设计工具googlesketchup提供并完善，充分模拟刚-柔-液耦合复杂航天器中的太阳帆板以及液体燃料等特殊属性，并作为预设prefab文件可以重复使用；飞行场景库包含各种星空场景，采用Unity3D的着色器程序shader技术开发，采用基于GPU的Cg语言进行编程；动作执行库基于C#脚本语言实现，是...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗群，李勍，董琦，冯聪，彭麒麟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12