一种导弹制导系统半实物仿真方法与流程

本发明涉及一种导弹制导系统半实物仿真方法，特别是一种电视制导导弹半实物仿真方法。属于航空航天仿真领域。

背景技术：

半实物仿真是将数学模型与物理模型或实物模型相结合进行实验的过程。半实物仿真对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现；对比较复杂的部分或对其规律尚不清楚的部分，则直接采用物理模型或实物。

目前，现有的基于半实物仿真技术的制导系统，导引头仿真部分与目标模拟仿真部分各构成一个单独的转台，成本较高，各部分体积较大且构造复杂，仿真的过程比较复杂，噪声较多，精度较低。

基于上述现状，我们发明了一种仿真过程简单、噪声低、精度高的导弹制导系统半实物仿真方法，特别适用于科研、教学实验中。

技术实现要素：

(一)发明的目的

本发明的目的是提供一种导弹制导系统半实物仿真系统及方法，以简便、高效、实时地仿真电视制导导弹攻击目标的过程。

(二)技术方案

一种导弹制导系统半实物仿真系统，包括：

目标跟踪实验转台、主机、目标机、目标跟踪实验转台控制箱及摇杆。

所述的目标跟踪实验转台包括目标模拟器、ccd相机、伺服电机及码盘。其中，ccd相机用于模拟导弹导引头；

所述的主机上安装有matlab软件，利用其simulink功能进行弹目交战数学模型建模；主机上安装有微视v221视频采集卡，用于采集ccd相机传来的视频信号；主机上也安装了目标识别与跟踪图像处理软件，可实现对目标的识别与自动跟踪，并得到导弹导引头失调角；

所述的目标机安装了nipci6601数据采集卡、intel825x网卡以及串口通讯卡，目标机用于对弹目交战数学模型进行实时运算；

所述的目标跟踪实验转台控制箱用于控制目标跟踪实验转台上的目标模拟器和ccd相机的转动；

所述的摇杆用来调节主机上图像处理软件的波门位置。

目标跟踪实验转台利用航空插头及线缆与目标跟踪实验转台控制箱上的航空插头相连接；目标跟踪实验转台控制箱通过bnc视频线与主机上的微视v221视频采集卡相连接；目标跟踪实验转台控制箱通过灰排线与目标机上的nipci6601数据采集卡相连；主机和目标机以网线相连接，以tcp/ip方式进行通讯；主机还与目标机的串口相连接，主机利用rs232通讯协议向目标机传递导弹导引头失调角信息；摇杆以usb方式与主机相连接。

利用上述的一种导弹制导系统半实物仿真系统，本发明实现了一种导弹制导系统半实物仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，在主机中建立弹目交战数学模型、目标模拟器电机速度控制模型及ccd相机电机速度控制模型；

步骤2，建立主机与目标机间tcp/ip方式的通讯，并将步骤1中主机所建立的弹目交战数学模型、目标模拟器电机速度控制模型、ccd相机电机速度控制模型以tcp/ip方式编译到目标机；

步骤3，给安装在目标跟踪实验转台上的ccd相机上电，拍摄目标模拟器所在区域的图像；

步骤4，ccd相机拍摄的目标模拟器所在区域的图像通过航空插头及线缆传送到目标跟踪实验转台控制箱，经由目标跟踪实验转台控制箱和bnc视频线缆传送到安装在主机上的微视v221视频采集卡；

步骤5，主机上的目标识别与跟踪图像处理软件在主机接收到的图像中识别目标；

步骤6，操纵员利用摇杆锁定目标，目标识别与跟踪图像处理软件自动跟踪目标，并向目标机输出导弹导引头失调角；

步骤7，目标机利用主机编译下来的弹目交战数学模型计算得到导弹指令加速度和弹目相对距离；目标机利用主机编译下来的目标模拟器电机速度控制模型和ccd相机电机速度控制模型计算得出目标跟踪实验转台中的伺服电机控制指令，该伺服电机控制指令传送到目标跟踪实验转台控制箱，目标跟踪实验转台控制箱中的电机驱动目标模拟器和ccd相机转动，模拟导弹导引头跟踪目标的过程；

步骤8，目标跟踪实验转台中的码盘输出的脉冲信号经由目标跟踪实验转台控制箱传送给目标机的nipci601数据采集卡，目标机利用码盘输出的脉冲信号得到电机的角位置、角速度信息以及视线角速度；

步骤9，利用目标机的显示器实时监测仿真过程过程中的关键数据，关键数据包括弹目相对距离、视线角速度、导弹指令加速度和导弹导引头失调角，上述关键数据以数值或者曲线的形式显示在目标机显示器上；

步骤10，目标机将计算结果利用tcp/ip方式反馈给主机，用于后续的数据分析。

(三)优点效果

该导弹制导系统半实物仿真方法使用了占地面积小、成本低的导弹制导系统半实物仿真系统，整个系统可以放在一张书桌上；该导弹制导系统半实物仿真方法操作过程简单、快速；该导弹制导系统半实物仿真方法噪声低、精度高，最终的导弹脱靶量可控制在1米左右；该导弹制导系统半实物仿真方法具有通用性，可验证多种导引律、导航算法等，为科研工作提供了有效的硬件支撑。

附图说明

图1为本发明导弹制导系统半实物仿真系统的硬件构成原理图。

图2为本发明弹目交战数学模型的几何关系图。

图3为本发明主机上的目标识别与跟踪图像处理软件进行识别目标的流程图。

图4为实施例1中导弹导引头失调角随时间的变化曲线。

图5为实施例1中导弹和目标的弹道曲线。

图6为实施例1中导弹指令加速度随时间的变化曲线。

图7为实施例2中导弹导引头失调角随时间的变化曲线。

图8为实施例2中导弹和目标的弹道曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示,一种导弹制导系统半实物仿真系统，包括：

目标跟踪实验转台、主机、目标机、目标跟踪实验转台控制箱及摇杆。

所述的目标跟踪实验转台包括目标模拟器、ccd相机、伺服电机及码盘；参见专利《一种目标跟踪实验转台》，公开号105677989a。其中，ccd相机用于模拟导弹导引头；

所述的主机上安装有matlab软件，利用其simulink功能进行弹目交战数学模型建模；主机上安装有微视v221视频采集卡，用于采集ccd相机传来的视频信号；主机上也安装了目标识别与跟踪图像处理软件，可实现对目标的识别与自动跟踪，并得到导弹导引头失调角；

所述的目标机安装了nipci6601数据采集卡、intel825x网卡以及串口通讯卡，目标机用于对弹目交战数学模型进行实时运算；

所述的目标跟踪实验转台控制箱用于控制目标跟踪实验转台上的目标模拟器和ccd相机的转动；

所述的摇杆用来调节主机上图像处理软件的波门位置。

目标跟踪实验转台利用航空插头及线缆与目标跟踪实验转台控制箱上的航空插头相连接；目标跟踪实验转台控制箱通过bnc视频线与主机上的微视v221视频采集卡相连接；目标跟踪实验转台控制箱通过灰排线与目标机上的nipci6601数据采集卡相连；主机和目标机以网线相连接，以tcp/ip方式进行通讯；主机还与目标机的串口相连接，主机利用rs232通讯协议向目标机传递导弹导引头失调角信息；摇杆以usb方式与主机相连接。

利用上述的一种导弹制导系统半实物仿真系统，本发明实现了一种导弹制导系统半实物仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，在主机中建立弹目交战数学模型、目标模拟器电机速度控制模型、ccd相机电机速度控制模型。其中，所述的弹目交战数学模型如下：

其中：

下标1和2分别表示水平分量和垂直分量；

vt是目标速度的大小；

rt是目标位置与坐标系原点的距离；

β是目标的弹道倾角；

vm是导弹速度的大小；

rm是导弹位置与坐标系原点的距离；

am是导弹加速度的大小；

rtm是弹目相对距离；

λ为视线角；

为视线角速度，该参数为目标模拟器电机速度控制模型的输入量即目标模拟器的电机速度期望值，用于驱动目标模拟器转动；

vc为弹目相对速度；

nc为导弹指令加速度；

n'为有效导引比。

弹目交战数学模型的几何关系如附图2所示。

所述的目标模拟器电机速度控制模型和ccd相机电机速度控制模型为一个pid控制器，如下：

e(t)＝r(t)-y(t).(3)

其中，u(t)为电机速度控制指令，r(t)为给定的电机速度期望值，y(t)为电机速度的实际输出值，e(t)为给定的电机速度期望值和电机速度的实际输出值的差。

kp、ki、kd分别为pid控制器的比例项增益、积分项增益和微分项增益。

步骤2，建立主机与目标机间tcp/ip方式的通讯，并将步骤1中主机所建立的弹目交战数学模型、目标模拟器电机速度控制模型、ccd相机电机速度控制模型以tcp/ip方式编译到目标机，编译到目标机中的弹目交战数学模型、目标模拟器电机速度控制模型和ccd相机电机速度控制模型将在目标机中进行实时运算；

步骤3，给安装在目标跟踪实验转台上的ccd相机上电，拍摄目标模拟器所在区域的图像，该图像包含目标模拟器及其周围环境的画面；

步骤4，ccd相机拍摄的目标模拟器所在区域的图像通过航空插头及线缆传送到目标跟踪实验转台控制箱，经由目标跟踪实验转台控制箱和bnc视频线缆传送到安装在主机上的微视v221视频采集卡；

步骤5，主机上的目标识别与跟踪图像处理软件在主机接收到的图像中识别目标，具体过程附图3所示，包括：

(a).目标识别与跟踪图像处理软件读取ccd相机传到主机上的图像；

(b).目标识别与跟踪图像处理软件对(a)过程所得的图像进行中值滤波；

(c).目标识别与跟踪图像处理软件对(b)中所得的图像进行灰度化；

(d).目标识别与跟踪图像处理软件对(c)中所得的图像进行自动阈值，得到黑白二值化的图像；

(e).目标识别与跟踪图像处理软件锁定目标区域并确定目标中心；

(f).目标识别与跟踪图像处理软件自动跟踪目标并计算导弹导引头失调角；

步骤6，操纵员利用摇杆锁定目标，目标识别与跟踪图像处理软件会自动跟踪目标，并向目标机输出导弹导引头失调角ε，根据：

其中，ε为导弹导引头失调角，k为增益系数，为ccd相机电机速度控制模型的输入量即ccd相机的电机速度期望值，用于ccd相机转动；

步骤7，目标机利用主机编译下来的弹目交战数学模型计算得到导弹指令加速度ac和弹目相对距离rtm；利用主机编译下来的步骤1中的目标模拟器电机速度控制模型和ccd相机电机速度控制模型计算得出目标跟踪实验转台中的伺服电机控制指令u(t)，该伺服电机控制指令经由目标跟踪实验转台控制箱传送给目标跟踪实验转台中的电机，驱动目标模拟器和ccd相机转动，模拟导弹导引头跟踪目标的过程。这里，目标模拟器的电机速度期望值和ccd相机的电机速度期望值为r(t)，

步骤8，目标跟踪实验转台中的码盘输出的脉冲信号经由目标跟踪实验转台控制箱传送给目标机的nipci601数据采集卡，目标机利用码盘输出的脉冲信号得到目标模拟器的实际角速度和ccd相机的实际角速度因此：

步骤9，利用目标机的显示器实时监测仿真过程过程中的关键数据，关键数据包括弹目相对距离rtm、导弹指令加速度ac和导弹导引头失调角ε，上述关键数据以数值或者曲线的形式显示在目标机显示器上；

步骤10，目标机将主机编译下来的步骤1中的各个模型的计算结果利用tcp/ip方式反馈给主机，用于后续的绘图和数据分析。

实施例1

弹目交战初始条件如下：

导弹速度为vm＝400m/s,视线角初值为λ0＝30°，导弹初始坐标为(xm0,ym0)＝(0m,0m)。

目标速度vt＝300m/s,目标的弹道倾角的初始值为β0＝120°，目标初始坐标为(xt0,yt0)＝(4000m,0m)。

n'的值是4。

k＝10。

目标模拟器电机速度控制模型和ccd相机电机速度控制模型的kp、ki、kd分别取值如下：

实施例2

弹目交战初始条件如下：

导弹速度为vm＝800m/s,视线角初值为λ0＝30°，导弹初始坐标为(xm0,ym0)＝(0m,0m)。

目标速度vt＝300m/s,目标的弹道倾角的初始值为β0＝0°，目标初始坐标为(xt0,yt0)＝(4000m,0m)。

k＝5。

n'的值是4。

目标模拟器电机速度控制模型和ccd相机电机速度控制模型的kp、ki、kd分别取值如下：