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        基于VeriStand的制導系統(tǒng)半實物仿真平臺的研究

        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:制導系統(tǒng)

        范勇+劉罌+李釗

        摘要:為保證制導系統(tǒng)半實物仿真的實時性和準確性,縮短開發(fā)周期,本文基于VeriStand、Simulink和PharLap組合方式構(gòu)建實時仿真平臺。該平臺通過VeriStand實現(xiàn)對仿真模型的在線管理和仿真試驗的控制,以及對模型參數(shù)的在線顯示和修改;采用PharLap實時操作系統(tǒng)保證仿真模型執(zhí)行的實時性,通過Simulink對系統(tǒng)進行建模,達到快速仿真設計、降低開發(fā)周期、弱化人為影響的目的、,制導半實物仿真試驗表明:仿真平臺工作可靠,實時性能好,能夠提高半實物仿真試驗的開發(fā)效率和可靠性。

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

        DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.015

        引言

        運載火箭控制系統(tǒng)的主要功能是制導、姿態(tài)控制和指令控制等[1]。制導的任務是對火箭質(zhì)心的運動參數(shù)進行實時敏感測量、計算和控制。當火箭的運動參數(shù)達到要求值時,關(guān)閉發(fā)動機,使火箭按設計的軌道飛行…。半實物仿真試驗技術(shù)是運載火箭控制系統(tǒng)研制不可缺少的手段[2]。通過半實物仿真試驗能夠考核箭載計算機飛行軟件和制導系統(tǒng)方案的正確性,保證火箭飛行可靠。

        仿真軟件是整個仿真系統(tǒng)的靈魂[3],仿真軟件的質(zhì)量直接影響半實物仿真試驗結(jié)果的精度和可靠性?;鸺刂葡到y(tǒng)具有高速實時的特點,在箭載計算機中,數(shù)據(jù)采樣時間間隔一般為幾毫秒到幾十毫秒,計算周期等于采樣間隔時間或它的數(shù)倍[4],這就要求仿真系統(tǒng)具備實時性。對于不同型號的半實物仿真,由于設計人員能力不一,不能保證仿真軟件準確可靠,從而影響試驗的周期和結(jié)果。

        為了在線管理和控制仿真試驗,保證火箭制導系統(tǒng)半實物仿真的實時性、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)建半實物實時仿真平臺,一方面通過PharLap操作系統(tǒng)保證了系統(tǒng)仿真的實時性,另一方面利用Simulink建模并生成代碼達到快速仿真的目的,縮短項目開發(fā)周期。同時通過VeriStand可以實現(xiàn)對實時仿真平臺進行管理和在線顯示、修改仿真模型參數(shù),實現(xiàn)對仿真過程的在線管理和控制。

        1 VeriStand和平臺硬件組成

        1.1 VeriStand簡介

        VeriStand[5]是一款開放的實時測試和仿真軟件。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時系統(tǒng)。

        1.2 平臺硬件組成

        實時仿真平臺由動力學上位機和動力學實時仿真機組成。

        上位機為普通PC機。

        實時仿真機硬件由Nl機箱PXI-1042Q、零槽控制器PXI-8110以及實現(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,用來模擬箭上單機的接口與箭體計算機進行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,對箭體計算機進行校對:狀態(tài)輸出模塊用來模擬星箭分離信號。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,它將實現(xiàn)具體的邏輯功能。并將上行和下行數(shù)據(jù)進行保存。母板的主體為PC19054,通過CPCI總線,負責FPGA的數(shù)據(jù)與零槽控制器的數(shù)據(jù)進行交換。板卡功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        2 仿真平臺實現(xiàn)

        2.1實時仿真開發(fā)框架

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

        在上位機完成仿真軟件的設計后,通過VeriSta nd軟件的配置和控制,將仿真軟件下載到下位機中并在VeriSta nd引擎框架中執(zhí)行:同時通過VeriStand對動力學仿真軟件參數(shù)進行在線顯示和修改,最終實現(xiàn)半實物實時仿真的目的。

        實時仿真開發(fā)框架如圖3所示。

        2.2 平臺的設計

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

        2.2.1驅(qū)動接口設計

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

        1) UDP通信模塊

        由于UDP通信與仿真模型為串行關(guān)系,即在仿真模型一個周期開始時采集UDP接收模塊的命令包,然后再在周期結(jié)束時將動力學遙測發(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VI。Initialization VI完成Custom Device驅(qū)動程序被添加到VeriStand時的功能。Main Page完成Custom Device驅(qū)動程序被添加到VeriStand后配置Custom Device的功能,比如UDP通信中的IP、端口號設置等。RT Driver Vl定義了CustomDevice驅(qū)動被下載到下位機運行的執(zhí)行行為。endprint

        2) 15538通信模塊

        仿真平臺中15538驅(qū)動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現(xiàn)。

        在仿真模型中AIT 15538板卡用來模擬多種箭上單機的接口,通信方式無規(guī)律,存在相應的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實現(xiàn)15538模塊的讀寫功能。因此,對15538模塊的讀寫操作采用s函數(shù)[6]的方式實現(xiàn)。實現(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識別。系統(tǒng)中使用NI-VISA Driver Wizard工具,根據(jù)設備的基本屬性(PCI Device ID和Vector ID)生成*.inf文件,然后通過FTP下傳到下位機,重啟下位機后Pha rLap實時系統(tǒng)就能識別該硬件基本信息并分配硬件設備名稱。

        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)的方式實現(xiàn),通過VISA函數(shù)接口完成相應的功能操作。

        2.2.2 動力學解算模塊

        該模塊中通過動力學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。

        2.2.3編譯環(huán)境

        仿真平臺的S函數(shù)中調(diào)用了VISA庫函數(shù)庫和AIT1553B驅(qū)動函數(shù)庫,在VeriStand的make創(chuàng)e文件NIVeriStand_vc.tmf的LIBS中添加對兩種函數(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 仿真平臺的驗證

        基于VeriStand的火箭制導系統(tǒng)的半實物仿真平臺驗證試驗流程如圖5所示。

        以某型火箭為例,該制導系統(tǒng)的半實物仿真平臺驗證試驗步驟具體如下:

        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)將各個模塊組件添加到VeriStand中,通過mapping的方式將各個組件的信號進行映射。同時,設置各個模塊的執(zhí)行順序,執(zhí)行順序依次為:1553B初始化模型、UDP接收驅(qū)動、仿真模型、UDP發(fā)送驅(qū)動。

        5)將配置好的VeriStand應用程序下載到下位機運行,通過VeriStand工程的監(jiān)控界面實現(xiàn)對仿真模型參數(shù)的實時顯示和在線修改。 按某型火箭搭建的制導系統(tǒng)半實物仿真驗證平臺的實物圖如圖6所示。該平臺由動力學上位機和目標機組成。兩者通過以太網(wǎng)連接。上位機運行Simu,ink、LabVIEW、VeriStand和Ⅵsual Studi0 2008四種軟件環(huán)境,進行火箭動力學模型及對應硬件驅(qū)動接口模型的編譯、下載和硬件在環(huán)的監(jiān)控管理。下位機為PharLap系統(tǒng),運行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。

        對比某型箭機半實物仿真試驗結(jié)果可知,建立的基于VeriStand的制導系統(tǒng)半實物仿真平臺能夠較快的進行箭機的硬件在環(huán)仿真,試驗真實、有效,提高了半實物仿真平臺實時性和開發(fā)效率。

        4 結(jié)論

        本文通過VeriStand、Simulink、PharLap組合的方式來構(gòu)建實時仿真平臺,并成功地應用于火箭制導系統(tǒng)半實物實時仿真系統(tǒng)中。試驗結(jié)果證明仿真平臺工作可靠,實時性能好,能夠滿足火箭制導系統(tǒng)半實物仿真的實時性要求。同時平臺降低了仿真軟件開發(fā)周期,增強了仿真軟件設計的可靠性,實現(xiàn)了對仿真模型的過程監(jiān)控和控制,對其它半實物仿真平臺的設計有一定的參考和借鑒意義。

        參考文獻:

        [1]顧勝,祝學軍,楊華基于T553B總線的運載火箭控制系統(tǒng)分析[J]導彈與航天運載技術(shù),2005(3)囤-12

        [2]陳宜成,朱友忠運載火箭控制系統(tǒng)通用仿真軟件設計平臺[J]計算機仿真,2005(5):46-55

        [3]徐庚保,曾蓮芝勇攀世界科技高峰的中國仿真技術(shù)[J]計算機仿真,2004(4):5-9

        [4]任廣辰,閏長燦箭載計算機在運載火箭中的功能研究[J]科技創(chuàng)新導報,2016(20):15-16

        [5]王好端混合動力控制器集成開發(fā)平臺設計及應用[D]清華大學,20T2

        [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)動模塊的開發(fā)[J]計算機測量與控制2009(17):599-602

        [7]鹿欣,基于LabVIEW的慣測組件實時測試系統(tǒng)研制[D]南京航空航天大學,2010endprint

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