一种五轴图像模拟转台仿真的安全防护方法与流程

本发明属于仿真，具体涉及一种五轴图像模拟转台仿真的安全防护方法。

背景技术：

1、半实物仿真系统中，带有视场模拟功能的五轴转台，其中内三轴用于模拟导引头的姿态与角运动，即俯仰、偏航、滚转三个方向，外二轴用于模拟视场的姿态与角运动，即方位、高低两个方向。由于在转台设计时，内三轴与外二轴存在着位置关系的相互干涉，因此部分转轴只能在一定的角度范围内运动，超过限制的角度范围可能会与其他轴之间发生碰撞。同时转台的每个轴都有其对应的最大角速度与最大角加速度限制，当对转台的指令超过对应限制时，转台会启用内置的安全保护方案，驱动器立即断电，由于在断电前，转台各轴仍具有角速度，断电后各转轴会在无阻尼的情况下继续高速旋转，直到停止，也称转台飞车。

2、传统方法中，仿真机实时解算的载体的三个姿态角与导引头的两个视线角，这五个角度就是转台的位置指令，在约定好的地址上，通过vmic板卡发送给实时光纤通信网络hub，转台以相同的发送周期从hub上读取五个角度指令，转台软件通过控制器控制各轴的驱动元件，驱动原件使能各轴运动到对应的角度，同时转台上的传感测量元件实时监测转台各轴的运动状态(角位置、角速度)，通过vmic反馈给仿真机。

3、若监测的运动状态正常，则仿真继续；若测量元件监测到某个轴的运动状态超出转台指标，则转台软件会将驱动元件断电，断开与仿真机的通讯，此时转台由于惯性，各轴会在无阻尼的条件下自由运动，转台飞车。

4、转台在通信仿真时，都是从vmic光纤卡的指定地址读取仿真机发给转台的角位置指令，并立即进行相应的机动，同时转台中测量元件收集转台当前的状态数据(如角位置、角速度、角加速度等)，发送给仿真机形成反馈，基本没有安全防护的设计，由于仿真系统延迟、仿真模型设计问题、转台性能等因素，飞车情况时常发生。

5、由上述过程可以看出，采用传统的转台控制方法存在着以下弊端，

6、(1)飞车时，部件断电，处于不工作状态，转台的零位会发生漂移，需要花费一定的时间重新巡零，延缓了仿真任务的进度。

7、(2)频繁的飞车会造成转台内部部件的磨损，影响转台的性能。

8、(3)带有视景模拟功能的五轴转台，飞车会造成转台轴框架结构的形变甚至损坏。

9、(4)飞车对试验人员的人身安全及周边设备的安全都会造成危害。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种五轴图像模拟转台仿真的安全防护方法，适用于具有位置限位和具有轴间位置干涉的五轴图像模拟转台，提升其开展半实物仿真时的安全防护能力。该方法不改变转台结构及转台控制软件的程序内容，而是从仿真软件着手，设计一种转台安全防护方案，嵌入仿真程序内，以解决半实物仿真试验中，因程序设计问题、系统延迟问题、转台性能问题等引发的转台飞车事故。本发明的突出优点是，大量减少转台发生飞车的次数，从而减少重启转台与重新寻零位的次数，使仿真流程更有效率，并且使转台遇到异常时的停止过程可控；在转台发生飞车前，使转轴的速度尽可能地平稳下降，减小因飞车导致的转台结构损坏，保护周边人员及设备的安全.安全防护方法设计简单、有效、实用，具有很好的推广应用空间。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、步骤1：转台角位置限位；

4、根据转台技术指标文件，得到转台各轴的角度范围、最大角速度、最大角加速度，用仿真机实时计算出每个轴的急停预警位置，若某一轴超过了实时计算的急停预警位置，则启动过渡停止程序，仿真停止；

5、使用以下公式表示每个轴的急停预警位置：

6、θmar＝w/(2*δ*αmax)      (1)

7、θau＝θmu-θmar            (2)

8、θad＝θmd-θmar            (3)

9、式中，θmar为该转轴的急停位置裕度，w为该轴当前的角速度，δ为角加速度百分比限制参数，αmax为该轴的最大角加速度指标；θau为该转轴正向急停预警位置，θad为该转轴负向急停预警位置，θmu为该转轴正向最大角位置指标，θmd为该转轴负向最大角位置指标；

10、步骤2：转台过渡停止程序；

11、当仿真机计算与监控的转台状态出现异常时，启动一个转台过渡停止流程，此时不再给转台发送真实的仿真指令，命令转台减小转轴的角速度，将转台逐渐停稳，最后发送仿真停止指令；

12、过渡停止过程中，按周期向转台发送经过计算的位置指令，使转轴速度降为0，首先判断该轴位置与角速度情况，若角速度为正且角位置为正，则采用负向角加速度；若角速度为负且角位置为负，则采用正向角加速度，判断公式如下：

13、

14、上式中，wnow表示该轴当前角速度，θnow表示该轴当前的角位置；

15、若α＝0，则停止仿真；若α不为零，即当前需要进行角位置指令，角位置指令的计算公式如下：

16、wnext＝wnow+a·t       (5)

17、θdelta＝wnext·t           (6)

18、θorder＝θnow+θdelta       (7)

19、以上公式中，wnext表示该轴下一时刻应达到的角速度，t表示仿真机的计算步长；θdelta表示下一时刻该轴的运动角度，θorder表示应发给该轴的角位置指令；

20、步骤3：转台角速度与角加速度限幅；

21、通过对转台的位置指令进行微分，计算出角速度指令与角加速度指令，若角速度指令与角加速度指令连续多帧超过了设定的最大角速度或角加速度限制，则启动过渡停止流程，停止仿真，防止转台发生飞车；使用以下公式计算角速度与角加速度指令：

22、wnow＝dθnow/dt      (8)

23、αnow＝dwnow/dt      (9)

24、若wnow或αnow超过了设定的角速度限制或角加速度限制，则启动转台过渡停止程序。

25、优选地，所述计算步长t为1毫秒。

26、本发明的有益效果如下：

27、1、本发明使用仿真计算机实时计算并检测转台各轴的预警位置、角速度与角加速度，改进了程序设计问题、系统延迟问题、转台性能问题等引发转台飞车事故的缺陷；大量减少转台发生飞车的次数，从而减少重启转台与重新寻零位的次数，使仿真流程更有效率；使转台的遇到异常时的停止过程可控，避免意外发生；在转台发生飞车前，使转轴的速度尽可能地平稳下降，减小因飞车导致的转台结构损坏，保护周边人员及设备的安全。

28、2、使用本发明方法进行仿真，仿真系统及方法设计简单、有效、实用，具有很好的推广应用空间。

29、3、本发明方法还在陆航某型空地导弹武器系统半实物仿真试验中获得了良好的应用效果。综上可以看出，本发明有着诸多优点，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种五轴图像模拟转台仿真的安全防护方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种五轴图像模拟转台仿真的安全防护方法，其特征在于，所述计算步长t为1毫秒。

技术总结本发明公开了一种五轴图像模拟转台仿真的安全防护方法，适用于具有位置限位和具有轴间位置干涉的五轴图像模拟转台，提升其开展半实物仿真时的安全防护能力。该方法不改变转台结构及转台控制软件的程序内容，而是从仿真软件着手，设计一种转台安全防护方案，嵌入仿真程序内，以解决半实物仿真试验中，因程序设计问题、系统延迟问题、转台性能问题等引发的转台飞车事故。本发明大量减少转台发生飞车的次数，从而减少重启转台与重新寻零位的次数，使仿真流程更有效率，并且使转台遇到异常时的停止过程可控；在转台发生飞车前，使转轴的速度尽可能地平稳下降，减小因飞车导致的转台结构损坏，保护周边人员及设备的安全。技术研发人员：闫俊良,苗昊春,栗金平,张翔,刘梦焱,董国才,王鹏,张林受保护的技术使用者：西安现代控制技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18