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专利号: 2022100297559
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-03-02
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统,其特征在于,包括以下部分:(1)火炮发射物理实体,具体包括火炮、弹丸与气象;

(2)实时数据采集与分析模块,该模块具体包括:火炮状态数据采集模块,其通过附着于火炮上的各类传感器实时测量火炮状态数据;

弹丸信息采集模块,包括弹着点测量装置、RFID读卡器及对应单个弹丸的RFID标签,主要用于采集弹丸信息数据;

气象信息采集模块,其通过多种气象要素传感器实时采集火炮、被打击目标所处地区的气象信息数据;

数据处理与存储模块,其对火炮状态数据采集模块、弹丸信息采集模块及气象信息采集模块采集的数据进行清洗、分析,并将数据存入数据库中;

(3)火炮数字孪生模型构建模块,基于该模块构建火炮数字孪生模型,其具体包括:几何模型,利用三维建模软件分别建立火炮、弹丸的参数化三维模型,展现其形状、组成及装配关系;

物理模型,在建立的火炮、弹丸参数化三维模型基础上增加物理实体的物理属性、约束及特征;

行为模型,其描述了在外干扰及内部运行机制耦合作用下弹丸、火炮的实际运行状态;

规则模型,其是分析数据库中数据,总结得到的火炮、弹丸运动规律规则;

(4)火炮状态监测及射击精度预测模块,该模块具体包括:火炮状态监测模块,其基于实时数据采集与分析模块采集的火炮状态数据及弹丸信息数据,更新火炮数字孪生模型中火炮、弹丸参数化三维模型的尺寸、位置关系及运动状态,实现火炮及弹丸实时状态的可视化展现,并同时将重要的气象信息数据转换为图表进行可视化显示;

射击精度预测模块,其以实时数据采集与分析模块采集的火炮状态数据、弹丸信息数据及气象信息数据为火炮的初始条件,基于火炮数字孪生模型,通过火炮发射动力学计算及外弹道解算,实现弹丸弹着点位置的预测,并且,其基于数据库中的数据不断优化火炮发射动力学计算及外弹道解算的准确度;

(5)火炮射击诸元自适应调控模块,该模块具体包括:射角优化模块,其基于智能优化算法及射击精度预测模块优化计算并确定火炮最佳射角和方位角;

射角调控模块,根据火炮最佳射角驱动火炮炮控系统对火炮实际射角和方位角进行调整,在调整到位后击发弹丸,完成射击。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统,其特征在于,在实时数据采集与分析模块中,所述附着于火炮上的各类传感器,包括测量振动状态的角位移、角速度传感器、测量膛压的压力传感器、测量膛内温度的温度传感器及测量内膛磨损的窥膛仪;

所述弹着点测量装置测量当前弹丸的实际弹着点位置信息;

所述RFID读卡器安装于火炮上,其在装弹时通过读取对应单个弹丸的RFID标签,实时获取当前弹丸的实际参数信息;

所述对应单个弹丸的RFID标签内置有该弹丸的实际参数;

所述气象信息数据包括风速、风向、气压、空气湿度、空气密度。

3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统,其特征在于,所述弹丸的实际参数包括实际装药量、实际重心位置及实际制造尺寸,该数据在弹丸出厂时通过精确测量后存储于对应单个弹丸的RFID标签中。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统,其特征在于,在火炮数字孪生模型构建模块中,所述火炮数字孪生模型是由实时数据采集与分析模块采集的实时数据驱动的;

所述火炮、弹丸的参数化三维模型根据实时数据采集与分析模块采集的实时数据动态调整形状尺寸、相对位置;

所述增加物理实体的物理属性、约束及特征,具体包括材料属性、力学属性、装配约束;

所述弹丸、火炮的实际运行状态根据实时数据采集与分析模块采集的实时数据获取;

所述总结得到的火炮、弹丸运动规律规则包括外部激励、火炮结构参数、炮控系统控制参数、弹丸结构参数、装药量、气象信息对火炮、弹丸运动的影响规律。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统,其特征在于,在火炮状态监测及射击精度预测模块中,所述基于数据库中的数据不断优化火炮发射动力学计算及外弹道解算的准确度的实现方法为:以数据库中存储的每发弹丸发射初始时火炮状态数据、弹丸信息数据为输入,以数据库中存储的该发弹丸出炮口时的炮口状态数据和弹丸状态数据为输出,基于参数辨识方法,对火炮发射动力学计算中的部分不确定参数进行辨识,不断提高火炮发射动力学计算的精度;以数据库中存储的弹丸出炮口时的弹丸状态数据、气象信息数据为输入,以数据库中存储的弹着点测量装置测量的实际弹着点位置数据为输出,基于参数辨识方法,对外弹道解算中的部分不确定参数进行辨识,不断提高外弹道解算的精度。

6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统,其特征在于,在火炮射击诸元自适应调控模块中,所述基于智能优化算法及射击精度预测模块优化计算并确定火炮最佳射角和方位角的实现方法为:以火炮的射角和方位角为优化变量,以火炮的射角和方位角调整范围为设计空间,以弹丸弹着点位置预测值与期望值间的差值最小为优化目标,基于智能优化算法在设计空间里搜索优化解,确定火炮的最佳射角和方位角。

7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统,其特征在于,所述弹丸弹着点位置预测值基于射击精度预测模块计算得到;所述弹丸弹着点位置期望值为考虑弹丸飞行时间后的被打击目标的预期位置,其由被打击目标的当前位置,被打击目标运动速度和方向,弹丸飞行时间综合决定;所述智能优化算法包括遗传算法、粒子群算法、蚁群算法。

8.一种计算机存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1‑7中任一项所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统。

9.一种计算机设备,包括储存器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1‑7中任一项所述的一种基于数字孪生的火炮发射状态监控系统。