[发明专利]刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统及方法

权利要求书

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；

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(Computational Fluid Dynamics)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matlab engine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xPC Target C API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Unity 3D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google sketchup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Unity 3D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操作；Unity 3d提供音效系统，将刚-柔-液耦合复杂航天器飞行过程中的音效纳入系统中；

三轴转台在整个仿真系统中起到实物模拟的作用，是由其中的光电编码器来实现对姿态的反馈，并针对反馈的误差进行两次补偿控制，由此形成仿真系统闭环；进行补偿控制的具体方法是通过比较反馈值与逻辑输入值来得到差值，如果差值小于提前设定的阈值，则属于控制精确的范畴，不需要补偿控制；若差值比阈值大，则需要补偿控制；在补偿控制的过程中，将得到的偏差值作为逻辑输入来控制转台旋转，将旋转结束后得到的反馈值与偏差值再比较一次，直到得到的偏差值小于设定的阈值，则停止控制；同时转台上位机软件嵌入主控平台之中，实现了在主控平台进行实时仿真的同时，转台控制器接收航天器实时姿态信息从而精确模拟航天器飞行姿态。

2.一种用于实现权利要求1所述的刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统的方法，其特征是，利用三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台实现，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(Computational Fluid Dynamics)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matlab engine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xPC Target C API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。