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ACE系列產(chǎn)品所用實驗模型
ACEToolBox工具包說明
ACEToolBox工具包是飛行控制技術(shù)與工程課程實驗裝置升級的專用Simulink模塊庫，供用戶自主建模使用，包括硬件接口庫和設(shè)計模塊庫兩部分。ACEToolBox工具包在Simulink Library Browser中，ACEToolBox工具包如下圖所示。
硬件接口庫（ACE Hardware Interface）
硬件接口庫主要包括飛行控制技術(shù)與工程課程實驗裝置升級的硬件訪問模塊，分為GNC硬件接口庫和系統(tǒng)級硬件接口庫，具體模塊及其功能如下表所示。
硬件接口庫（Ace Hardware Interface）
序號 | 模塊 | 模塊名稱及功能 | 備注 |
1 | ACESystem Interface | 系統(tǒng)級硬件接口庫 | |
1.1 | Initialization | 系統(tǒng)硬件初始化模塊 | |
1.3 | TurntableOV | 轉(zhuǎn)臺控制接口模塊，中外內(nèi)框分別對應Phi、Psi、Gam?？商峁┒喾N轉(zhuǎn)臺運動模式的控制，1-位置運動，2-速度運動，4-回零運動，8-停止運動。 | |
1.4 | TurntableCV | 轉(zhuǎn)臺控制接口模塊簡約版，輸入為轉(zhuǎn)臺三框位置指令。 | |
1.5 | Cooperate | 協(xié)同制導數(shù)據(jù)傳輸模塊，可實現(xiàn)仿真測試平臺數(shù)據(jù)互聯(lián)。 | |
1.7 | Visual | 三維視景仿真數(shù)據(jù)傳輸模塊，可將模型中輸出的數(shù)A彈的據(jù)傳輸至三維顯示平臺，進行實時仿真。 | |
2 | ACE GNC Interface | GNC硬件接口庫 | |
2.1 | Accelerometer | 加速度計接口模塊，從加計中讀取加速度Axyz | |
2.2 | Gyroscope | 陀螺儀接口模塊，從陀螺中讀取角速度Wxyz | |
2.3 | IMU | 慣組接口模塊，從慣組中讀取加速度Axyz和角速度Wxyz | |
2.4 | ServoCmd | 舵控指令接口模塊，向舵系統(tǒng)發(fā)送舵控指令Delta1C、Delta2C、Delta3C、Delta4C | |
2.5 | ServoAngle | 舵偏采集接口模塊，從舵系統(tǒng)中采集舵反饋角Delta1、Delta2、Delta3、Delta4 | |
2.6 | I/OCmd | I/O控制接口模塊，向I/O中發(fā)送邏輯控制指令 | |
2.7 | I/OState | I/O狀態(tài)監(jiān)測模塊，從I/O中接收高低電平狀態(tài) |
公共模塊庫主要包括飛行控制技術(shù)與工程課程實驗裝置的飛行器運動仿真設(shè)計的“軟”模塊，包括ACE飛行器模型庫、ACE設(shè)備模型庫、GNC算法與工具庫、公共模塊庫和環(huán)境模型庫，是針對ACE案例而設(shè)計的，具體模塊及其功能如下表所示。
公共模塊庫（ACE Commonly Model）
序號 | 模塊 | 模塊名稱及功能 | 備注 |
1 | ACE Aerocraft Model | ACE飛行器模型庫 | |
1.1 | ACE Aerodynamic for 3DOF | 3DOF氣動力模塊，基于瞬態(tài)平衡的氣動力模型 | |
1.2 | ACE Aerodynamic for 6DOF | 6DOF氣動模塊，包括氣動力和氣動力矩模型 | |
1.3 | ACE Centroid Motion | 質(zhì)心運動模塊，包括動力學和運動學方程 | |
1.4 | ACE Rotation Motion | 繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動模塊，包括動力學和運動學方程 | |
1.5 | ACE Mass Properties | 質(zhì)量模塊 | |
1.6 | ACE Propulsion | 推力模塊 | |
1.7 | ACE Equation of 3DOF’s Motion1 | 三自由度運動模塊(以姿態(tài)角為輸入) | |
1.8 | ACE Equation of 3DOF’s Motion2 | 三自由度運動模塊(以攻角、側(cè)滑角和傾側(cè)角為輸入) | |
1.9 | ACE Equation of 6DOF’s Motion | 六自由度運動模塊 | |
2 | ACE Device Model | ACE設(shè)備模型庫 | |
2.1 | Second Order Linear Servo | 二階線性舵機模型 | |
2.2 | Second Order Nonlinear Servo | 二階非線性舵機模型 | |
2.3 | Three-axis Accelerometer Error Model | 三軸加速度計誤差模型 | |
2.4 | Three-axis Gyroscope Error Model | 三軸陀螺儀誤差模型 | |
3 | ACE GNC Algorithm & Tool | GNC算法與工具庫 | |
3.1 | ACE Flight Program Angle | 程序角模型，ACE縱向通道飛行程序角算法案例 | |
3.2 | ACE Simplified Guidance Algorithm | 制導律簡化模型，ACE縱向通道制導簡化算法案例 | |
3.3 | ACE Guidance Algorithm | 制導律模型，ACE縱向通道制導算法案例 | |
3.4 | ACE Control Algorithm | 控制律模型，ACE縱向通道控制算法案例 | |
3.5 | ACE Guidance and Control Algorithm | 制導控制律綜合模型，ACE縱向通道制導控制綜合算法案例 | |
3.6 | ACE Navigation Algorithm | 導航解算算法，基于四元數(shù)的捷聯(lián)式慣性導航解算算法 | |
3.7 | ACE Missile Linear Model | 導彈運動線性化模型，ACE案例飛行器線性化傳遞函數(shù) | |
3.8 | ACE Delta1234 toDeltaXYZ | 4個實際舵偏角轉(zhuǎn)化為3個等效舵偏角 | |
3.9 | ACE DeltaXYZC to Delta1234C | 3個等效舵控制指令轉(zhuǎn)化為4個實際舵偏角指令 | |
4 | Environment Model | 環(huán)境模型庫 | |
4.1 | COESA Atmosphere Model | COESA大氣模型 | |
4.2 | Simplified Atmosphere Density Model | 大氣密度簡化模型 | |
4.3 | Simplified Gravity Model | 重力簡化模型 | |
4.4 | Horizontal Wind Model | 水平風模型 | |
5 | ACE Commonly Model | 公用模塊庫 | |
5.1 | ACEScope | 數(shù)據(jù)信息源監(jiān)測模塊，監(jiān)測多維信號時上位機軟件將命名為ACEScope.1、ACEScope.2、ACEScope.3、……以此類推。 | 系統(tǒng)專用 |
5.2 | Parameters Setup | 完成在目標系統(tǒng)的初始化裝訂、參數(shù)實時調(diào)整和用戶監(jiān)測運行過程中的人機交互界面。參數(shù)命名不能夠為數(shù)字。 | 系統(tǒng)專用 |
5.3 | Counter Free-Running | 自動運行定時器 | |
5.4 | Pulse Generator | 脈沖信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生設(shè)定屬性的脈沖信號。 | |
5.5 | Random Number | 隨機數(shù)模塊是一個信號源模塊，可以產(chǎn)生正太分布的隨機信號，默認情況下隨機信號的均差為0，方差為1. | |
5.6 | Repeating Sequence | 周期信號模塊，可以方便地產(chǎn)商周期波形，僅有一個輸出端口，并肩仿真所產(chǎn)生的波形的性質(zhì)顯示在模塊圖標上。如：三角波。 | |
5.7 | Repeating Sequence Interpolated | 內(nèi)插周期信號 | |
5.8 | Signal Generator | 信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生設(shè)定的信號。 | |
5.9 | Sine Wave | 正弦信號發(fā)生模塊，有1個輸出端口，模塊框圖上顯示軸能夠反映模塊的連續(xù)性和離散性的正弦波圖案。 | |
5.10 | Step | Step模塊只有1個輸出端口，可輸出階躍信號的模塊，階躍信號的階躍時間的值則有參數(shù)對話框中的參數(shù)決定。 | |
5.11 | Switch | 選擇開關(guān)模塊，可根據(jù)判斷條件選擇多個輸入端口中的某個進行輸出。 | |
5.12 | Uniform Random Number | 均勻隨機信號模塊，用于產(chǎn)生均一的服從高斯分布的隨機信號。 |
系統(tǒng)出廠配置的典型實驗模型分為系統(tǒng)內(nèi)置模型和自主建模參考模型。
1 內(nèi)置模型
內(nèi)置模型用于開展典型組件級實驗，包括：
（1）加速度計實驗模型AccelerometerTest.slx，實現(xiàn)對加速度信息的在線監(jiān)測。
（2）陀螺儀實驗模型GyroscopeTest.slx，實現(xiàn)對角速度信息的在線監(jiān)測。
（3）舵機階躍響應實驗模型ServoStepCmdTest.slx，實現(xiàn)對舵機階躍控制指令和舵機偏轉(zhuǎn)角的在線監(jiān)控。
（4）舵機頻域響應實驗模型ServoFreqCmdTest.slx，實現(xiàn)對舵機正弦控制指令和舵機偏轉(zhuǎn)角的在線監(jiān)控。
2 自主建模參考模型
自主建模參考模型，顧名思義，用于用戶參考建模，包括：
（1）模擬飛行實驗案例模型SimuFlyTest.slx，實現(xiàn)對I/O端口的邏輯控制與狀態(tài)監(jiān)測。其默認邏輯為：1-8s內(nèi)逐秒點亮1個LED，9-16s內(nèi)逐秒點滅1個LED。
（2）彈載控制器接口實驗案例模型ControllerInterfaceTest.slx，實現(xiàn)對加速度計、陀螺儀、舵機、I/O端口的邏輯控制與狀態(tài)監(jiān)測。其默認邏輯為：
（1） 系統(tǒng)綜合實驗案例模型，包括數(shù)學仿真模型和半實物仿真模型，實現(xiàn)對GNC系統(tǒng)的仿真評估，其案例飛行任務(wù)剖面如下圖所示，詳見《無人飛行控制系統(tǒng)實驗教程》。
其中，數(shù)學仿真模型主要由ACEToolBox的設(shè)計模型庫搭建而成，用于在MATLAB平臺進行設(shè)計與仿真評估，包括：
l 標準彈道設(shè)計與仿真評估模型StandardTraj.slx
l 制導律3DOF仿真評估模型GuidanceSimplified.slx
l 制導律6DOF仿真評估模型Guidance.slx
l 制導控制律綜合仿真評估模型GuidanceControl.slx
半實物仿真模型在數(shù)學仿真的基礎(chǔ)上，增加GNC硬件在回路的各種模式的仿真，用于在ACE軟硬件平臺進行設(shè)計與仿真評估，包括：
l 控制器在回路的仿真模型ControllerInLoopSimulation.slx
l 控制器+舵機在回路的仿真模型ControllerAndServoInLoopSimulation.slx
l 控制器+陀螺在回路的仿真模型ControllerAndGyroInLoopSimulation.slx
l 控制器+舵機+陀螺在回路的仿真模型ControllerAndServoAndGyroInLoop Simulation.slx
l 此外，半實物仿真模型還根據(jù)是否開環(huán)驅(qū)動舵機和轉(zhuǎn)臺，衍生了以下模型：
l 控制器在回路、開環(huán)驅(qū)動舵機的仿真模型ControllerInLoopWithServo Simulation.slx
l 控制器在回路、開環(huán)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺的仿真模型ControllerInLoopWithGyro Simulation.slx
l 控制器在回路、開環(huán)驅(qū)動舵機及轉(zhuǎn)臺的仿真模型ControllerInLoopWithServo GyroSimulation.slx
l 控制器+舵機在回路、開環(huán)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺的仿真ControllerAndServoInLoopWithGyro Simulation.slx
l 控制器+陀螺在回路、開環(huán)驅(qū)動舵機的仿真模型ControllerAndGyroInLoopWith ServoSimulation.slx
自主建模說明
請使用ACEToolBox工具包模塊庫的模塊進行自主建模，可參見系統(tǒng)配套的案例模型。其中，硬件在回路的仿真需要注意以下內(nèi)容：
（1） 設(shè)置定步長仿真，仿真周期在10ms（含）以上；若為連續(xù)型模型，解算算法取ode4（Runge-Kutta）法，若為離散型模型，解算算法取discrete（no-continuous-states）法；
（2） 用戶自編Simulink模型必須可單機調(diào)試運行成功，才能下載用于實驗；可查看模型的編譯狀態(tài)，按下“Ctrl+D”，檢驗模型是否存在問題，如果未報錯則模型正常，再進行下一步操作。
（3） 出現(xiàn)類似以下警告不影響模型的正常運行：
Warning: Matching "Goto" for "From" '……/Initialization/LEDCommand' not found
Warning: Matching "Goto" for "From" '……/Initialization/ServoCommand' not found
（4） 有硬件接口模塊的Simulink模型中，必須有且只能有一個初始化模塊“Initialization”；在同一個Simulink模型中，以下硬件接口模塊最多只能有1個：
序號 | 模塊名稱 | 模塊功能 | 備注 |
1 | Initialization | 系統(tǒng)硬件初始化 | |
2 | ServoCommand | 向舵機發(fā)送舵機控指令 | |
3 | LEDCommand | 向LED發(fā)送時序控制指令 | |
4 | LEDScope | 時序狀態(tài)監(jiān)測模塊 | |
5 | TurntableScope | 轉(zhuǎn)臺驅(qū)動模塊 |
（5） 信號記錄說明：仿真過程中，若需監(jiān)測或保存模型中的某個信號，將該信號接入信號監(jiān)測模塊ACEScope即可；
（6） 信號命名規(guī)則：接入信號監(jiān)測模塊ACEScope的信號是以輸入該ACEScope模塊的前一個模塊的路徑名命名的，為方便在實驗過程中用戶監(jiān)測和實驗后的數(shù)據(jù)分析，請盡量規(guī)范模塊命名，特別是ACEScope模塊的前一個模塊和上級模塊的命名；在彈載控制器接口實驗和系統(tǒng)綜合實驗中，數(shù)據(jù)保存時，表頭為信號簡化的路徑名稱，軟件另外自動保存了同名的完整路徑名稱；
（7）配置“Parameters Setup”與模型變量關(guān)聯(lián)，以便上位機實時更改參數(shù)。請注意：參數(shù)名稱不能夠使用數(shù)字和關(guān)鍵字。Parameters Setup會在當前模型目錄下生成兩個文件“.sldd”和“…_gui.xml”請確保這兩個文件與模型存在于同一目錄下，否則模型編譯會出錯。
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