航空航天類專業制導控制室內外半實物仿真實驗技術研究與應用

王 偉，陳柏霖，高 峰，王正平，王 輝

（北京理工大學a.宇航學院；b.資產與實驗室管理處，北京 100081）

0 引言

針對航空航天類專業制導控制的學校室內半實物實驗室主要以多軸動態轉臺為基本硬件平臺，PC機為軟件平臺，可實現常規的彈道軌跡、運動控制等實驗，涉及高動態飛行器總體設計、飛行力學、制導控制等知識。為使實驗教學內容更具內涵、創新性、科學性［1］等特點，本著新時代高效育人，重在培養高素質綜合性拔尖創新人才［2-4］等目標，通過校企聯合的方式，研發了制導控制室內外半實物仿真實驗平臺，將具有特色的室外復雜環境、火箭撬、干擾和抗干擾多項措施轉化為航空航天類專業的本科和研究生教學。該平臺在室內采用導引頭追蹤激光目標模擬器，可加深學生對飛行器制導控制概念和運動學、動力學模型［5-7］的理解。在校外火箭撬平臺，以學習高動態飛行器姿態控制和制導控制［8］為主要目標，不僅可直觀觀測目標運動變化，也可通過仿真機實時觀測彈道及飛行器姿態等。室內外半實物仿真實驗教學系統可為航空航天類專業的學生提供課程設計、畢業設計、綜合性實驗、創新性實驗，深化對航空航天類專業知識的理解，增強學生的動手能力，激發學生對制導控制的積極性及好奇心，為培養國防拔尖人才提供實驗支撐。

1 制導控制半實物仿真系統

1.1 半實物仿真實驗設備組成

制導控制室內半實物仿真實驗實物如圖1 所示。主要分為以下幾個部分：

圖1 室內半實物仿真圖

（1）3 軸立式轉臺＋2 軸轉臺；

（2）仿真與控制計算機；

（3）導引頭；

（4）激光模擬器及漫反射幕布。

1.2 教學知識點

結合半實物仿真平臺的教學用途，學生通過該仿真實驗可以了解及掌握的知識點有。

（1）3 軸立式轉臺和2 軸轉臺工作原理；

（2）彈體運動學和動力學模型構成與搭建；

（3）目標運動學模型搭建與設計；

（4）彈目相對運動學模型搭建與設計；

（5）導引頭制導控制工作原理和模型設計；

（6）激光模擬器及漫反射幕布工作原理和相關模型。

1.3 工作流程

激光照射器將光束照射到漫反射幕布上，導引頭［9-10］接收漫反射幕布上光斑的位置信息，經解算后傳給仿真機。仿真機將計算出的2 軸轉臺和3 軸轉臺的運動信息傳輸到各自控制柜的下位機，經信息解算后控制2 軸轉臺和3 軸轉臺的運動［11］。半實物仿真以3 軸轉臺模擬彈體姿態運動，轉臺外框、中框和內框分別對應導彈的偏航、俯仰和滾轉運動，2 軸轉臺模擬目標運動規律［12］，由仿真模型通過串口通信為3 軸轉臺提供姿態角或姿態角速度指令，控制系統用來測量俯仰和偏航方向的角速率陀螺安裝于內框，隨彈體旋轉，所測信號為旋轉彈體陀螺坐標系的角速率信號［13］，由轉臺滑環將該信號線引至數據采集系統，經采集后提供給仿真機。仿真機實時仿真程序實時定時中斷服務程序周期最短可設置為0.1 ms，本方案默認固化設置為1 ms。整個實時任務程序架構和基本工作流程如圖2 所示。

圖2 半實物仿真系統流程框圖

2 室內外半實物仿真教學系統

2.1 室內激光制導半實物仿真系統

室內激光制導半實物仿真系統如圖3 所示。

圖3 室內激光制導半實物仿真系統框圖

2.2 室外圖像制導半實物仿真系統

室內仿真系統能夠完成制導控制系統的大部分功能測試與仿真，隨著戰場環境的復雜性，越來越要求飛行器能夠在復雜背景下正常使用，利用開放的室內外結合的半實物仿真。

電視／紅外導引頭仿真測試系統需要提供的實驗環境包括：

（1）為導引頭提供姿態角度運動；

（2）為導引頭提供目標運動環境或彈目相對運動環境；

（3）提供照射機和真實目標物理環境。

此3 項分別用3 軸轉臺、移動目標模擬系統和移動目標試驗平臺實現物理模擬。依據以上分析，導引頭仿真測試系統主要由移動目標模擬系統、導引頭姿態模擬系統（以3 軸電動轉臺為主要設備）、仿真計算機系統、實時通信接口系統、移動目標試驗平臺系統（時統、速度與位置實時監控）等部分組成。圖4 所示為采用外場設備進行導引頭測試的仿真測試系統框圖。

圖4 采用外場設備進行導引頭測試的半實物仿真系統框圖

主要仿真設備包括：

（1）移動目標模擬系統：可見光目標模型靶板、紅外整列靶板；

（2）導引頭姿態模擬系統：3 軸電動轉臺；

（3）移動目標試驗平臺系統。

2.3 火箭撬的移動目標試驗平臺

（1）火箭撬總體方案。火箭橇［14-15］總體技術方案為：①運動過程分加速段、續航段、滑行段及制動段；②固體火箭發動機；③反向火箭運動機制；④地面觸發和電子延時發火機構的雙重制動點火保險；⑤采用微推偏噴管技術，降低質心高度，左右對稱，減小力矩作用；⑥簡易導軌結構等［16］。

（2）火箭撬位置與速度實時測量系統。在仿真的每一幀里都需要火箭橇的位置和速度作為已知參數，以供彈目視線的解算和視線角的實時復現。

（3）火箭撬實驗平臺時間統一系統。火箭橇試驗系統與其它仿真設備之間存在時間統一的問題，在系統中需設計專門的時統系統，或統一使用衛星高精度授時，完成系統的時間同步。

2.4 移動目標模擬系統

移動目標模擬系統可以模擬慢速移動目標和快速移動目標。移動目標模擬是全系統的關鍵，其系統設計主要包括紅外目標模擬系統［17］（點紅外陣列靶板、控制計算機、圖形計算機等）、可見光目標模型靶板［18-19］。紅外目標模擬系統，包括模擬器本體（由場景發生器、測量標定系統、控制計算機以及相關通信設備組成）、控制計算機和紅外整列靶板。可模擬紅外目標場景圖像、目標／場景的紅外輻射特性，外場紅外整列目標靶板主要通過一定空間頻率的目標與背景溫差的紅外輻射信號，為被評定紅外成像單個靶元的精確系統提供定量的目標，用于紅外系統的空間及溫度分辨率的鑒定，也可用于對激光波束的漫反射體。

3 軟 件

3.1 仿真軟件配置

整個仿真軟件系統采用windows xp多任務操作系統為主平臺操作系統，內嵌RTX 嵌入式實時操作系統。上層任務系統采用Visual Studio 6.0 的MFC 編程，提供人機界面和任務管理。下層采用C 語言編程，編譯成*.rtss格式的實時任務程序。學生在程序內直接完成板卡的驅動初始化并設計符合C 語言標準的應用接口函數。

3.2 人機交互界面軟件

人機交互界面。采用VS6.0 下MFC編程，采用面向對象編程模式，分4 個大的功能模塊區，如圖5所示。

圖5 上層任務程序框架

人機界面設計和處理程序，利用VC 標準控件設計，布局出可視化用戶監視和操作處理界面。設計有過程狀態數據參數監視區，過程仿真數據軌跡實時顯示區，仿真參數和狀態配置區，仿真任務啟動停止操作等。DEMO示意設計界面如圖6（a）、（b）所示。

圖6 人機交互界面示意圖

RTX程序預處理和定時器創建程序，為上下層任務程序創建數據交互的共享內存區，同時觸發下層實時任務程序。創建定時器是為上層任務程序創建非實時的定時任務打下基礎，可根據需要自行設置定時周期。定時任務程序用來進行各種過程數據采集和界面顯示。

程序退出處理程序用來在關閉整個任務程序前對整個系統狀態的預處理。比如終止下層實時任務程序，關閉清理退還已創建的共享內存。

3.3 下層實時軟件

下層實時任務程序有3 個核心任務部分。其任務程序架構如圖7 所示。

圖7 實時任務程序架構

（1）實時任務程序架構和定時機制建立；

（2）各類硬件板卡驅動和接口函數；

（3）用戶仿真時序程序和仿真數學模型代碼。

4 半實物仿真實驗驗證

飛行器系統仿真模型包括飛行器自身彈體模型、氣動模型、運動學和動力學模型等。在該環節設計帶有落角約束的過重補比例導引律，設計帶有改善高動態飛行器動態阻尼性能的雙通道全解耦控制模型。目的是在解決高動態室內目標動態跟蹤的前提下保證自身的姿態穩定，解決多類制導體制在不同海拔和轉速下穩定飛行、跟蹤并高精度命中目標。在該環節中設定縱向制導指令為0.36 g（g ＝9.8 m／s2），側向制導指令為0 g，引入2 Hz的1 N·m的干擾力矩。對比不同轉速下原彈體和阻尼回路的數學模型與彈上計算機模型的姿態角響應。對比不同轉速下數學仿真與半實物仿真的姿態角響應曲線，如圖8 所示。通過對圖中數據分析，發現縱向通道和側向通道解耦效果良好，有阻尼情況下的設計比無阻尼狀態下的設計在動態特性上有較大程度的改善。

圖8 不同轉速下數學仿真與半實物仿真的姿態角響應曲線對比

對比不同射程下增加阻尼的對比情況如圖9～12所示。經過數據分析，發現高動態飛行器的攻角、側滑角、俯仰角、偏航角的加噪聲有阻尼要比加噪聲無阻尼改善60%以上，無噪聲有阻尼比加噪聲有阻尼改善60%以上，實現了不同高度和轉速狀態下的雙通道穩定控制。

圖9 半實物仿真攻角曲線

圖10 半實物仿真側滑角曲線

圖11 半實物仿真俯仰角曲線

圖12 半實物仿真偏航角曲線

5 半實物仿真實驗系統教學實踐

室內外半實物仿真系統建成后主要用于本科生高年級及研究生的課程實驗、創新實驗、畢業設計等，經過2 個學年的新型實驗課程的教學，學生的團隊協作能力、綜合學習能力、創新設計能力、整體綜合成績均有顯著提高。實驗課程體系的題目設計與實現不僅體現了航空航天類系統建模與仿真的難點和特點，同時也針對不同層次的學生開展探索，可更好地因材施教，取得良好的教學效果，同時可進一步與無人飛行器嵌入式一體化自制實驗儀器和飛行器虛擬仿真實驗相結合。

6 結語

航空航天類專業制導控制室內、外半實物仿真實驗教學系統，可通過系統設計、硬件搭建、軟件設計、系統調試、仿真圖像分析及外場火箭撬實驗、抗干擾和效能評估等一系列實驗，讓學生對制導控制有全方位的認知與理解。平臺的搭建，不僅可以滿足制導控制設計與仿真的要求，同時在航空航天領域的教學科研中也發揮了重要的作用。經過該課程培訓的學生多次獲得國家電子設計競賽一等獎、北京市電子競賽一等獎和國際阿布扎比無人機比賽金獎等。實驗探索將科研與教學深度融合，充分利用互聯網時代的教育多元性，有利于培養航空航天領域方向的復合型拔尖人才，提升我國航空航天類人才培養的層次，同時還可以提升航空航天、兵器類事業整體水平。