无人机系统仿真设计解决方案 - 图文(2)

2019-05-17 11:41

容易探测到无人机。智能蒙皮技术是指,在飞机设计和制造期间就将天线、传感器、发射机、接收机、信号和信息处理机、射频电缆、电力电缆、电控制电缆和温控设备嵌入飞机蒙皮内。此时,某些结构表面对各种射频信号来说应该是透明的,或者具有可控属性以方便信号发射和接收。各种有源和无源传感器不一定只给单一的通信、电子战、雷达、敌我识别或导航系统提供信号,天线和传感器分布可能覆盖了75%的飞机蒙皮,可以提供从几兆赫到光频范围(光波覆盖的频谱范围,包括红外、可见光、紫外等,通常可达到吉赫,太赫)的孔径。

1.1 工程仿真的重要角色

航空航天和国防工业的应用之复杂,即便是实现精确仿真这类最基础需求也

需要高质量的物理域仿真及系统建模和仿真能力,并辅助以高性能计算和自动优化设计能力。天线共址时的电磁干扰评估、带复杂材料涂覆的飞机的RCS计算、功率和热管理、或关键任务系统中的嵌入式验证软件、以及如影随形的电磁、热和流体间相互作用等,ANSYS公司的研发愿景同航空航天和国防工业的需求始终保持着高度的一致。这也是该行业的客户对ANSYS的仿真技术信任长达40多年的根本原因。

然而,想要在未来依然保持竞争力,单靠将这些各领域的仿真技术做精做深

是不够的,还需要一系列关键的建模、仿真、设计和知识管理能力,从而真正做到改进整个产品开发流程。

1.2 电磁、结构、流体的多物理场仿真

ANSYS向客户提供基于统一平台、同一个参数化整机模型的电磁、结构、流体、乃至嵌入式系统的多个物理域仿真能力,能够兼顾系统在外形、电磁、热、结构等多方面的需求,方便的在多个物理场仿真之间进行协同验证和设计迭代。将多物理相互制约因素纳入数字化样机研发的考虑范畴,使得数字化样机更加逼真。完备、全面、精确地仿真真实的物理世界。ANSYS在物理域仿真方面提供的主要能力如下:

? 电磁、结构、流体多个物理域及其耦合仿真;

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? 电路/电磁场双向耦合仿真; ? 高性能计算; ? 多学科优化;

图1-2Workbench平台下的多物理场仿真机

现今,在许多科研单位,建模和仿真数据的在工程师之间传递经常是封闭且效率很低的,这也经常成为误差和不确定性的源头,因为在不同软件工具之间传递模型经常导致数据丢失。例如,星载天线在环境温度及大发射功率导致的电损耗热源的混合作用下产生的温度场导致形变,从而影响天线的电性能。由于这种形变通常非常微小且不规则,和在结构和电磁仿真工具之间传递模型产生的误差几乎在同一量级,采用传统的仿真方法无法精确的对这个问题进行预估。

ANSYS提供的多物理场仿真解决方案从这类特殊的多物理场耦合的问题入手,对唯一的数学模型采用不同物理域的仿真技术进行仿真,形变后的网格可在不同仿真器之间自动交互,全面解决了计算精度和效率的问题,进而延伸成为涉及多个物理场仿真的工程问题的行业标准解决方案。

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图1-3通过电磁场仿真得到的天线电损耗分布

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图1-4温升导致的应力场分布

图1-5形变前后的天线电性能(远场方向图)变化

综上所述,无人机的电子系统涉及很宽的频段,为了避免各分系统之间的干扰以及与结构、动力系统之间的干涉,必须在设计之初进行系统性的规划,系统仿真在规划中的地位显而易见。

电磁仿真软件应用于工程设计可分为三个层次:一是部件级的仿真,如单片集成电路、单天线、阵列天线、滤波器、功分器等;二是系统级的仿真,如天线与馈电网络、天线罩、收发链路设计等;三是布局仿真,如机载天线系统、平台电磁兼容设计等。如果说之前由于计算机硬件资源的限制,大部分应用还停留在

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第一个层次的仿真,那么随着超级计算机和集群机的普及,随着快速算法日益成熟,第二、第三个层次的仿真越来越受到重视。

在无人机的设计中,这三个层次的任务都存在。对于片上集成电路系统,涉及到信号完整性、电源完整性、数模混合电路和电磁兼容/电磁干扰问题,基于传统“路”的概念的方法已经不能适应技术的需要。结构的电磁特性需要利用电磁场仿真工具进行电磁场计算,而参与辐射的信号能量大小则需要通过电路仿真计算。同样的结构,在不同的频率上,输入不同的信号,具有不同EMI特性;另外,同样幅度的干扰信号,用于不同的结构上,对不同的器件,会产生不同的EMC结果;同时,对于我们目前的系统来说,还要进行电路的时域和频域仿真,研究辐射干扰的幅度和传导干扰的幅度,用于进一步改进设计,验证EMC设计措施的有效性,因此,对于EMI/EMC设计来说,电路和电磁场仿真都是必须的。

图1-6. 板载模块模型

图1-7. 单片级仿真

对于系统级的仿真,同样需要电磁场、电路仿真协同,如图1-4所示,阵列

天线、馈电网络与有源器件协同仿真,可以充分考虑各种因素对天线方向特性的

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影响,极大缩短项目设计周期,提高研发效率。

图1-8. 系统级仿真

考虑板载影响前后的天线方向特性如图4-5所示。

图1-9. 加载板载天线系统前后结果对比

1.2. 机载雷达同无人机的一体化设计仿真

雷达已经成为武器装备系统的核心。随着新军事技术变革的发展,武器装备

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