一种舰载机集群运动建模仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种舰载机集群运动建模仿真方法，包括以下步骤：构建运动求解空间，建立舰载机集群的运动求解空间；运动建模，建立舰载机集群的运动控制模型；运动仿真，基于所述运动求解空间和所述运动控制模型，输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，进行舰载机集群运动仿真。通过本申请的舰载机集群运动建模仿真方法，能够为舰载机集群的运动仿真提供有效的运动求解空间和运动控制模型，由此可以在多种仿真条件下研究舰载机集群运动的规律。此外该方法还可以较好地模拟舰载机集群在各种环境下的起降以及巡航行为，实现对舰载机运行数据的实时观测，为真实的大规模舰载机集群飞行试验提供了全面的仿真数据。

【技术实现步骤摘要】
一种舰载机集群运动建模仿真方法
本专利技术属于计算机仿真
，特别是涉及一种舰载机集群运动建模仿真方法。
技术介绍
航空母舰，简称“航母”，是以舰载机为主要武器的世界上最庞大、最复杂、威力最强大的大型水面舰艇，也是一个国家综合实力的象征，将海上作战范围从近海推向远海，对现代战争的作战模式产生深远影响。航母拥有巨大的飞行甲板和舰岛。可以供舰载机起飞和降落。其主要任务是运用舰载机夺取海域及近海陆缘的制空权和制海权。采用虚拟现实技术。在虚拟空间中对舰载机集群的起飞、爬升、巡航和降落等运动过程进行模拟计算和可视化仿真，能突破时间和空间的限制,，以任意尺度对航母的构造设计、舰载机物资保障调度、作战方案制订等各方面的可行性、科学性和方案优化，进行准确、直观的推演和验证，为实际战斗力的生成发挥着不可替代的重要作用。但是，航母舰载机集群的运动过程同时涉及甲板面上二维空间和空中三维空间中的复杂运动约束。其中，二维空间的甲板面将受海面复杂扰动而发生运动，同时舰面障碍物也将对舰载机的起飞和降落产生复杂的运动约束。并且，三维空间中各舰载机的运动空域也相互制约影响。这将使航母舰载机集群运动仿真成为一项很具挑战性的研究难题。目前国内外公开的针对航母舰载机运动建模的研究工作主要集中在单架舰载机的运动学和动力学分析上，很少有涉及其集群运动的模拟，不能从集群的角度反映舰载机的飞行效果。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种舰载机集群运动建模仿真方法，解决现有技术中缺乏对舰载机集群运动建模仿真，特别是对舰载机在起降和巡航运动过程中不能进行群体模拟仿真的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种舰载机集群运动建模方法，包括以下步骤：构建运动求解空间，建立舰载机集群的运动求解空间；运动建模，建立舰载机集群的运动控制模型；运动仿真，基于所述运动求解空间和所述运动控制模型，输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，进行舰载机集群运动仿真。在本专利技术舰载机集群运动建模方法另一实施例中，在所述构建运动求解空间中，首先基于航线轨迹构建Frenet移动标架空间，然后沿上述Frenet移动标架空间进行三维元胞剖分。在本专利技术舰载机集群运动建模方法另一实施例中，所述基于航线轨迹构建Frenet移动标架空间包括基于航线轨迹曲线任意点构建Frenet移动标架空间，其中所述Frenet移动标架的X轴方向为沿航线轨迹方向，Y轴方向为所述航线轨迹曲线的主法线方向，Z轴方向向量为X轴方向向量和Y轴方向向量的外积；或者若所述航线轨迹曲线的主法线方向不确定，则Y轴平行于所述航线轨迹曲线过该点的法平面，Y轴方向向量和所述航线轨迹曲线上前一位置处的Y轴方向向量夹角相差小于90度，Z轴方向向量为X轴方向向量和Y轴方向向量的外积。在本专利技术舰载机集群运动建模方法另一实施例中，所述三维元胞剖分包括沿所述Frenet移动标架空间中的所述X、Y、Z轴进行网格剖分，得到表示每个网格的元胞，所述元胞的长度、宽度和高度分别为Δx、Δy和Δz，所述元胞的位置表示为(i,j,k)，即(i,j,k)为所述Frenet移动标架空间中沿所述X、Y、Z轴方向的第i，j，k个网格。在本专利技术舰载机集群运动建模方法另一实施例中，所述元胞包括使用状态κ，κ在有限集合S中取值，S＝{0,1}，其中，0表示所述元胞处于闲置状态，1表示所述元胞处于被占据状态。在本专利技术舰载机集群运动建模方法另一实施例中，在所述运动建模中，包括建立运动方向规则模型，所述运动方向规则模型中包括舰载机沿航线轨迹飞行时，仅通过在所述Frenet移动标架空间中的Z轴方向上的偏移来实现避障，即舰载机有三种运动方向可选：向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转或向Z轴正方向偏转运动。在本专利技术舰载机集群运动建模方法另一实施例中，所述向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转或向Z轴正方向偏转运动的概率分别表示为：其中，PL，PF，PR表示舰载机下一时刻分别向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转和向Z轴正方向偏转运动的概率，λL为当前时刻是否允许向Z轴负方向运动的标识符，λL＝0或1，λR为当前时刻是否允许向Z轴正方向运动的标识符，λR＝0或1，fL、fF和fR分别表示舰载机向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转和向Z轴正方向偏转运动趋势，dL，dF和dR分别表示舰载机和前方偏Z轴负方向元胞、前方元胞、前方偏Z轴正方向元胞内的障碍物在X方向上的距离。在本专利技术舰载机集群运动建模方法另一实施例中，所述fL、fF和fR分别为：其中，z表示当前舰载机所在位置在Z轴方向上的坐标值，ε为大于0的常数。在本专利技术舰载机集群运动建模方法另一实施例中，在所述运动建模中，还包括建立运动速度规则模型，所述运动速度规则模型包括舰载机在当前航线轨迹上畅行时的期望速度和加速度分别为v0和a0，当前时刻舰载机速度为v(t)，所述舰载机在沿行驶方向前方与另一舰载机的水平距离为d(t)，则在所述舰载机行驶方向上，所述舰载机的速度更新规则包括：加速：v(t+1)＝min(v(t)+a0,v0)，如果当前时刻所述舰载机和沿行驶方向前方与另一所述舰载机的水平距离大于v(t)+a0；减速:v(t+1)＝min(v(t),d(t))，如果当前时刻所述舰载机和沿行驶方向前方与另一所述舰载机的水平距离小于v(t)+a0；随机变化：以固定概率p进行v(t+1)＝max(v(t)-a0,0)，如果运动航线出现突发异常下舰载机做出减速。在本专利技术舰载机集群运动建模方法另一实施例中，在所述运动仿真中，包括舰载机在甲板上起飞和降落仿真、空中巡航仿真和/或在多跑道上起飞和降落仿真，所述仿真中的元胞的长度Δx、宽度Δy和高度Δz的取值应满足Δx＝Δy＝Δz＝max{舰载机长度，舰载机宽度，舰载机高度}，并且在所述Frenet移动标架空间中在Z轴方向上所述元胞个数为5个，在Y轴方向上的所述元胞个数为5个。本专利技术的有益效果是：专利技术公开了一种舰载机集群运动建模仿真方法，包括以下步骤：构建运动求解空间，建立舰载机集群的运动求解空间；运动建模，建立舰载机集群的运动控制模型；运动仿真，基于所述运动求解空间和所述运动控制模型，输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，进行舰载机集群运动仿真。通过本申请的舰载机集群运动建模仿真方法，能够为舰载机集群的运动仿真提供有效的运动求解空间和运动控制模型，由此可以在多种仿真条件下研究舰载机集群运动的规律。此外该方法还可以较好地模拟舰载机集群在各种环境下的起降以及巡航行为，实现对舰载机运行数据的实时观测，为真实的大规模舰载机集群飞行试验提供了全面的仿真数据。附图说明图1是本专利技术舰载机集群运动建模仿真方法一实施例的流程图；图2是本专利技术舰载机集群运动建模仿真方法另一实施例中应用于舰载机航线轨迹的局部坐标系的一实施例的示意图；图3是本专利技术舰载机集群运动建模仿真方法另一实施例中三维元胞空间一实施例的示意图；图4是本专利技术舰载机集群运动建模仿真方法另一实施例中舰载机避障而可选择的运动方向一实施例的示意图；图5是本专利技术舰载机集群运动建模仿真方法另一实施例中计算效率和航线长度之间关系的一实施例的示意图；图6是本专利技术舰载机集群运动建模仿真方法另一实施例中计算效率和舰载机数量之间关系的一实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：构建运动求解空间，建立舰载机集群的运动求解空间；运动建模，建立舰载机集群的运动控制模型；运动仿真，基于所述运动求解空间和所述运动控制模型，输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，进行舰载机集群运动仿真。

【技术特征摘要】
1.一种舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：构建运动求解空间，建立舰载机集群的运动求解空间；运动建模，建立舰载机集群的运动控制模型；运动仿真，基于所述运动求解空间和所述运动控制模型，输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，进行舰载机集群运动仿真。2.根据权利要求1所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，在所述构建运动求解空间中，首先基于航线轨迹构建Frenet移动标架空间，然后沿上述Frenet移动标架空间进行三维元胞剖分。3.根据权利要求2所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，所述基于航线轨迹构建Frenet移动标架空间包括基于航线轨迹曲线任意点构建Frenet移动标架空间，其中所述Frenet移动标架的X轴方向为沿航线轨迹方向，Y轴方向为所述航线轨迹曲线的主法线方向，Z轴方向向量为X轴方向向量和Y轴方向向量的外积；或者若所述航线轨迹曲线的主法线方向不确定，则Y轴平行于所述航线轨迹曲线过该点的法平面，Y轴方向向量和所述航线轨迹曲线上前一位置处的Y轴方向向量夹角相差小于90度，Z轴方向向量为X轴方向向量和Y轴方向向量的外积。4.根据权利要求2所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，所述三维元胞剖分包括沿所述Frenet移动标架空间中的所述X、Y、Z轴进行网格剖分，得到表示每个网格的元胞，所述元胞的长度、宽度和高度分别为Δx、Δy和Δz，所述元胞的位置表示为(i,j,k)，即(i,j,k)为所述Frenet移动标架空间中沿所述X、Y、Z轴方向的第i，j，k个网格。5.根据权利要求4所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，所述元胞包括使用状态κ，κ在有限集合S中取值，S＝{0,1}其中，0表示所述元胞处于闲置状态，1表示所述元胞处于被占据状态。6.根据权利要求1所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，在所述运动建模中，包括建立运动方向规则模型，所述运动方向规则模型中包括舰载机沿航线轨迹飞行时，仅通过在所述Frenet移动标架空间中的Z轴方向上的偏移来实现避障，即舰载机有三种运动方向可选：向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转或向Z轴正方向偏转运动。7.根据权利要求6所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐明亮，王华，楚世理，朱睿杰，姜晓恒，李亚飞，吕培，郭毅博，周兵，
申请(专利权)人：郑州大学，郑州轻工业学院，中国人民解放军陆军炮兵防空兵学院郑州校区，
类型：发明
国别省市：河南,41