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        基于VeriStand的制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的研究

        2018-01-22 13:48:56范勇劉罌李釗
        電子產(chǎn)品世界 2017年9期
        關(guān)鍵詞:制導(dǎo)系統(tǒng)

        范勇+劉罌+李釗

        摘要:為保證制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,縮短開發(fā)周期,本文基于VeriStand、Simulink和PharLap組合方式構(gòu)建實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)通過VeriStand實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真模型的在線管理和仿真試驗(yàn)的控制,以及對(duì)模型參數(shù)的在線顯示和修改;采用PharLap實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)保證仿真模型執(zhí)行的實(shí)時(shí)性,通過Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模,達(dá)到快速仿真設(shè)計(jì)、降低開發(fā)周期、弱化人為影響的目的、,制導(dǎo)半實(shí)物仿真試驗(yàn)表明:仿真平臺(tái)工作可靠,實(shí)時(shí)性能好,能夠提高半實(shí)物仿真試驗(yàn)的開發(fā)效率和可靠性。

        關(guān)鍵詞:VeriStand;制導(dǎo)系統(tǒng);半實(shí)物仿真;Simulink建模

        DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.015

        引言

        運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的主要功能是制導(dǎo)、姿態(tài)控制和指令控制等[1]。制導(dǎo)的任務(wù)是對(duì)火箭質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)敏感測(cè)量、計(jì)算和控制。當(dāng)火箭的運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到要求值時(shí),關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),使火箭按設(shè)計(jì)的軌道飛行…。半實(shí)物仿真試驗(yàn)技術(shù)是運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)研制不可缺少的手段[2]。通過半實(shí)物仿真試驗(yàn)?zāi)軌蚩己思d計(jì)算機(jī)飛行軟件和制導(dǎo)系統(tǒng)方案的正確性,保證火箭飛行可靠。

        仿真軟件是整個(gè)仿真系統(tǒng)的靈魂[3],仿真軟件的質(zhì)量直接影響半實(shí)物仿真試驗(yàn)結(jié)果的精度和可靠性?;鸺刂葡到y(tǒng)具有高速實(shí)時(shí)的特點(diǎn),在箭載計(jì)算機(jī)中,數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔一般為幾毫秒到幾十毫秒,計(jì)算周期等于采樣間隔時(shí)間或它的數(shù)倍[4],這就要求仿真系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)性。對(duì)于不同型號(hào)的半實(shí)物仿真,由于設(shè)計(jì)人員能力不一,不能保證仿真軟件準(zhǔn)確可靠,從而影響試驗(yàn)的周期和結(jié)果。

        為了在線管理和控制仿真試驗(yàn),保證火箭制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)性、可靠性,降低開發(fā)周期。本文提出一種基于VeriStand、Simulink和PharLap組合的方式構(gòu)建半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺(tái),一方面通過PharLap操作系統(tǒng)保證了系統(tǒng)仿真的實(shí)時(shí)性,另一方面利用Simulink建模并生成代碼達(dá)到快速仿真的目的,縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。同時(shí)通過VeriStand可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)進(jìn)行管理和在線顯示、修改仿真模型參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真過程的在線管理和控制。

        1 VeriStand和平臺(tái)硬件組成

        1.1 VeriStand簡(jiǎn)介

        VeriStand[5]是一款開放的實(shí)時(shí)測(cè)試和仿真軟件。它支持多種模型開發(fā)環(huán)境,包含Simu卟k、LabVIEW、MapleSim. FORTRAN/C/C++等。用戶通過它能夠?qū)崟r(shí)編輯用戶界面、控制和顯示仿真模型參數(shù)、監(jiān)控和管理仿真模型和實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

        1.2 平臺(tái)硬件組成

        實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)由動(dòng)力學(xué)上位機(jī)和動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)仿真機(jī)組成。

        上位機(jī)為普通PC機(jī)。

        實(shí)時(shí)仿真機(jī)硬件由Nl機(jī)箱PXI-1042Q、零槽控制器PXI-8110以及實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的10板卡組成。10功能板卡包括1553B總線通信模塊、秒脈寬輸出模塊和狀態(tài)(繼電器、O/10V等)輸出模塊。平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)框圖如

        1553B通信模塊采用AIT的PXI-15538 2通道板卡,用來模擬箭上單機(jī)的接口與箭體計(jì)算機(jī)進(jìn)行1553B的數(shù)據(jù)通信。

        秒脈沖輸出模塊用來模擬GNSS秒脈沖信號(hào),對(duì)箭體計(jì)算機(jī)進(jìn)行校對(duì):狀態(tài)輸出模塊用來模擬星箭分離信號(hào)。秒脈沖輸出模塊和狀態(tài)輸出模塊均為自研產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)上采用子母板結(jié)合的方式,子板的主體為FPGA,它將實(shí)現(xiàn)具體的邏輯功能。并將上行和下行數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。母板的主體為PC19054,通過CPCI總線,負(fù)責(zé)FPGA的數(shù)據(jù)與零槽控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。板卡功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        2 仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

        2.1實(shí)時(shí)仿真開發(fā)框架

        上位機(jī)為Windows系統(tǒng),運(yùn)行Simulink、LabVIEW、VeriStand和Visual Studi0 2008四種軟件環(huán)境,下位機(jī)為PharLap系統(tǒng),運(yùn)行VeriStand引擎,兩者通過以太網(wǎng)連接。

        在上位機(jī)完成仿真軟件的設(shè)計(jì)后,通過VeriSta nd軟件的配置和控制,將仿真軟件下載到下位機(jī)中并在VeriSta nd引擎框架中執(zhí)行:同時(shí)通過VeriStand對(duì)動(dòng)力學(xué)仿真軟件參數(shù)進(jìn)行在線顯示和修改,最終實(shí)現(xiàn)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真的目的。

        實(shí)時(shí)仿真開發(fā)框架如圖3所示。

        2.2 平臺(tái)的設(shè)計(jì)

        仿真平臺(tái)中仿真模型由驅(qū)動(dòng)接口模塊和動(dòng)力學(xué)仿真模型模塊組成,其中驅(qū)動(dòng)接口模塊包含UDP接口模塊、UDP發(fā)送模塊、1553B總線驅(qū)動(dòng)模塊、狀態(tài)卡驅(qū)動(dòng)模塊、秒脈沖卡驅(qū)動(dòng)模塊。仿真模型的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

        2.2.1驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)

        基于VeriStand可以采用多種方式開發(fā)驅(qū)動(dòng)模塊。由于Simulink工具包不包含支持PharLap實(shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)模塊庫,在仿真平臺(tái)中需要根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境來開發(fā)驅(qū)動(dòng)接口模塊。

        1) UDP通信模塊

        由于UDP通信與仿真模型為串行關(guān)系,即在仿真模型一個(gè)周期開始時(shí)采集UDP接收模塊的命令包,然后再在周期結(jié)束時(shí)將動(dòng)力學(xué)遙測(cè)發(fā)送至UDP發(fā)送模塊。因此UDP通信采用VeriStand中Custom Device的方式實(shí)現(xiàn)。

        首先通過Custom Device模板工具生成CustomDevice工程,工程中主要包含3個(gè)VI。Initialization VI完成Custom Device驅(qū)動(dòng)程序被添加到VeriStand時(shí)的功能。Main Page完成Custom Device驅(qū)動(dòng)程序被添加到VeriStand后配置Custom Device的功能,比如UDP通信中的IP、端口號(hào)設(shè)置等。RT Driver Vl定義了CustomDevice驅(qū)動(dòng)被下載到下位機(jī)運(yùn)行的執(zhí)行行為。endprint

        2) 15538通信模塊

        仿真平臺(tái)中15538驅(qū)動(dòng)模塊分為初始化模塊和讀寫操作模塊。

        通過AIT公司提供的AIT Flight Simulyzer軟件能采用圖形化配置的方式生成AIT 1553B板卡的初始化文件,但是只存在調(diào)用該文件的LabVIEW函數(shù)接口。因此,15538通信初始化模塊采用LabVIEW生成VeriStand*.lvmodel類型模型文件的方式實(shí)現(xiàn)。

        在仿真模型中AIT 15538板卡用來模擬多種箭上單機(jī)的接口,通信方式無規(guī)律,存在相應(yīng)的C函數(shù)接口和LabVIEW函數(shù)接口。Custom Device的執(zhí)行和仿真模型的執(zhí)行是并行關(guān)系,不適合采用Custom Device實(shí)現(xiàn)15538模塊的讀寫功能。因此,對(duì)15538模塊的讀寫操作采用s函數(shù)[6]的方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的功能有:15538讀數(shù)據(jù)功能、15538寫數(shù)據(jù)功能、16位CRC計(jì)算等。

        3)狀態(tài)輸出模塊和秒脈沖輸出模塊

        狀態(tài)輸出模塊和秒脈沖輸出模塊均采用PC19054接口芯片,支持VISA[7)函數(shù)接口的調(diào)用,因此,采用S函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)。

        狀態(tài)輸出模塊和秒脈沖輸出模塊為自研硬件模塊,在操作這些模塊之前,必須使這些硬件模塊能被仿真平臺(tái)識(shí)別。系統(tǒng)中使用NI-VISA Driver Wizard工具,根據(jù)設(shè)備的基本屬性(PCI Device ID和Vector ID)生成*.inf文件,然后通過FTP下傳到下位機(jī),重啟下位機(jī)后Pha rLap實(shí)時(shí)系統(tǒng)就能識(shí)別該硬件基本信息并分配硬件設(shè)備名稱。

        狀態(tài)輸出模塊和秒脈沖輸出模塊的初始化、讀寫操作均采用S函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn),通過VISA函數(shù)接口完成相應(yīng)的功能操作。

        2.2.2 動(dòng)力學(xué)解算模塊

        該模塊中通過動(dòng)力學(xué)方程解算出火箭的姿態(tài)和位置信息,然后根據(jù)姿態(tài)和位置信息轉(zhuǎn)換成捷聯(lián)慣組的輸出并通過15538的硬件通信接口發(fā)送給箭機(jī)。

        2.2.3編譯環(huán)境

        仿真平臺(tái)的S函數(shù)中調(diào)用了VISA庫函數(shù)庫和AIT1553B驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫,在VeriStand的make創(chuàng)e文件NIVeriStand_vc.tmf的LIBS中添加對(duì)兩種函數(shù)庫文件的包含,添加內(nèi)容如下:

        LIBS= $(LIBS) XX\owll 553.lib

        LIBS=$(LIBS) XX\visa32.lib

        LIBS= $(LIBS)

        3 仿真平臺(tái)的驗(yàn)證

        基于VeriStand的火箭制導(dǎo)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)流程如圖5所示。

        以某型火箭為例,該制導(dǎo)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)步驟具體如下:

        1)在Simulink中搭建某型火箭的仿真模型,然后使用RTW工具根據(jù)VeriStand提供的TLC文件和修改的tm墳件自動(dòng)生成代碼,編譯生成DLL文件。

        2)在AIT閉ght Simulyzer軟件中完成AIT板卡的配置文件的輸出,通過FTP下傳到下位機(jī)指定目錄。通過LabVIEW編寫15538初始化程序,生成lvmodel文件。

        3) 通過Custom Device Tem plate Tool生成Custom Device模塊,然后添加UDP接收和UDP發(fā)送功能,最后編譯生成VeriStand引擎可執(zhí)行的文件。

        4)將各個(gè)模塊組件添加到VeriStand中,通過mapping的方式將各個(gè)組件的信號(hào)進(jìn)行映射。同時(shí),設(shè)置各個(gè)模塊的執(zhí)行順序,執(zhí)行順序依次為:1553B初始化模型、UDP接收驅(qū)動(dòng)、仿真模型、UDP發(fā)送驅(qū)動(dòng)。

        5)將配置好的VeriStand應(yīng)用程序下載到下位機(jī)運(yùn)行,通過VeriStand工程的監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真模型參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和在線修改。 按某型火箭搭建的制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真驗(yàn)證平臺(tái)的實(shí)物圖如圖6所示。該平臺(tái)由動(dòng)力學(xué)上位機(jī)和目標(biāo)機(jī)組成。兩者通過以太網(wǎng)連接。上位機(jī)運(yùn)行Simu,ink、LabVIEW、VeriStand和Ⅵsual Studi0 2008四種軟件環(huán)境,進(jìn)行火箭動(dòng)力學(xué)模型及對(duì)應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng)接口模型的編譯、下載和硬件在環(huán)的監(jiān)控管理。下位機(jī)為PharLap系統(tǒng),運(yùn)行VeriStand引擎,配置的10功能板卡包括:1553B總線通信模塊,秒脈寬輸出模塊,狀態(tài)(繼電器、O/10V等)輸出模塊。

        對(duì)比某型箭機(jī)半實(shí)物仿真試驗(yàn)結(jié)果可知,建立的基于VeriStand的制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)能夠較快的進(jìn)行箭機(jī)的硬件在環(huán)仿真,試驗(yàn)真實(shí)、有效,提高了半實(shí)物仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)性和開發(fā)效率。

        4 結(jié)論

        本文通過VeriStand、Simulink、PharLap組合的方式來構(gòu)建實(shí)時(shí)仿真平臺(tái),并成功地應(yīng)用于火箭制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中。試驗(yàn)結(jié)果證明仿真平臺(tái)工作可靠,實(shí)時(shí)性能好,能夠滿足火箭制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí)平臺(tái)降低了仿真軟件開發(fā)周期,增強(qiáng)了仿真軟件設(shè)計(jì)的可靠性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)仿真模型的過程監(jiān)控和控制,對(duì)其它半實(shí)物仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)有一定的參考和借鑒意義。

        參考文獻(xiàn):

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        [6]陳懷民,寇云林,吳成富,等基于VxWorks半物理仿真中s一函數(shù)驅(qū)動(dòng)模塊的開發(fā)[J]計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制2009(17):599-602

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