王 偉，陳柏霖，高 峰，王正平，王 輝

（北京理工大學(xué)a.宇航學(xué)院；b.資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處，北京 100081）

0 引言

針對航空航天類專業(yè)制導(dǎo)控制的學(xué)校室內(nèi)半實(shí)物實(shí)驗(yàn)室主要以多軸動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)為基本硬件平臺(tái)，PC機(jī)為軟件平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的彈道軌跡、運(yùn)動(dòng)控制等實(shí)驗(yàn)，涉及高動(dòng)態(tài)飛行器總體設(shè)計(jì)、飛行力學(xué)、制導(dǎo)控制等知識(shí)。為使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更具內(nèi)涵、創(chuàng)新性、科學(xué)性［1］等特點(diǎn)，本著新時(shí)代高效育人，重在培養(yǎng)高素質(zhì)綜合性拔尖創(chuàng)新人才［2-4］等目標(biāo)，通過校企聯(lián)合的方式，研發(fā)了制導(dǎo)控制室內(nèi)外半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將具有特色的室外復(fù)雜環(huán)境、火箭撬、干擾和抗干擾多項(xiàng)措施轉(zhuǎn)化為航空航天類專業(yè)的本科和研究生教學(xué)。該平臺(tái)在室內(nèi)采用導(dǎo)引頭追蹤激光目標(biāo)模擬器，可加深學(xué)生對飛行器制導(dǎo)控制概念和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型［5-7］的理解。在校外火箭撬平臺(tái)，以學(xué)習(xí)高動(dòng)態(tài)飛行器姿態(tài)控制和制導(dǎo)控制［8］為主要目標(biāo)，不僅可直觀觀測目標(biāo)運(yùn)動(dòng)變化，也可通過仿真機(jī)實(shí)時(shí)觀測彈道及飛行器姿態(tài)等。室內(nèi)外半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可為航空航天類專業(yè)的學(xué)生提供課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，深化對航空航天類專業(yè)知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生對制導(dǎo)控制的積極性及好奇心，為培養(yǎng)國防拔尖人才提供實(shí)驗(yàn)支撐。

1 制導(dǎo)控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)

1.1 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成

制導(dǎo)控制室內(nèi)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)物如圖1 所示。主要分為以下幾個(gè)部分：

圖1 室內(nèi)半實(shí)物仿真圖

（1）3 軸立式轉(zhuǎn)臺(tái)＋2 軸轉(zhuǎn)臺(tái)；

（2）仿真與控制計(jì)算機(jī)；

（3）導(dǎo)引頭；

（4）激光模擬器及漫反射幕布。

1.2 教學(xué)知識(shí)點(diǎn)

結(jié)合半實(shí)物仿真平臺(tái)的教學(xué)用途，學(xué)生通過該仿真實(shí)驗(yàn)可以了解及掌握的知識(shí)點(diǎn)有。

（1）3 軸立式轉(zhuǎn)臺(tái)和2 軸轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理；

（2）彈體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)成與搭建；

（3）目標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型搭建與設(shè)計(jì)；

（4）彈目相對運(yùn)動(dòng)學(xué)模型搭建與設(shè)計(jì)；

（5）導(dǎo)引頭制導(dǎo)控制工作原理和模型設(shè)計(jì)；

（6）激光模擬器及漫反射幕布工作原理和相關(guān)模型。

1.3 工作流程

激光照射器將光束照射到漫反射幕布上，導(dǎo)引頭［9-10］接收漫反射幕布上光斑的位置信息，經(jīng)解算后傳給仿真機(jī)。仿真機(jī)將計(jì)算出的2 軸轉(zhuǎn)臺(tái)和3 軸轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)信息傳輸?shù)礁髯钥刂乒竦南挛粰C(jī)，經(jīng)信息解算后控制2 軸轉(zhuǎn)臺(tái)和3 軸轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)［11］。半實(shí)物仿真以3 軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬彈體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)外框、中框和內(nèi)框分別對應(yīng)導(dǎo)彈的偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，2 軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律［12］，由仿真模型通過串口通信為3 軸轉(zhuǎn)臺(tái)提供姿態(tài)角或姿態(tài)角速度指令，控制系統(tǒng)用來測量俯仰和偏航方向的角速率陀螺安裝于內(nèi)框，隨彈體旋轉(zhuǎn)，所測信號(hào)為旋轉(zhuǎn)彈體陀螺坐標(biāo)系的角速率信號(hào)［13］，由轉(zhuǎn)臺(tái)滑環(huán)將該信號(hào)線引至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)采集后提供給仿真機(jī)。仿真機(jī)實(shí)時(shí)仿真程序?qū)崟r(shí)定時(shí)中斷服務(wù)程序周期最短可設(shè)置為0.1 ms，本方案默認(rèn)固化設(shè)置為1 ms。整個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)程序架構(gòu)和基本工作流程如圖2 所示。

圖2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)流程框圖

2 室內(nèi)外半實(shí)物仿真教學(xué)系統(tǒng)

2.1 室內(nèi)激光制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)

室內(nèi)激光制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 室內(nèi)激光制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)框圖

2.2 室外圖像制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)

室內(nèi)仿真系統(tǒng)能夠完成制導(dǎo)控制系統(tǒng)的大部分功能測試與仿真，隨著戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，越來越要求飛行器能夠在復(fù)雜背景下正常使用，利用開放的室內(nèi)外結(jié)合的半實(shí)物仿真。

電視／紅外導(dǎo)引頭仿真測試系統(tǒng)需要提供的實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括：

（1）為導(dǎo)引頭提供姿態(tài)角度運(yùn)動(dòng)；

（2）為導(dǎo)引頭提供目標(biāo)運(yùn)動(dòng)環(huán)境或彈目相對運(yùn)動(dòng)環(huán)境；

（3）提供照射機(jī)和真實(shí)目標(biāo)物理環(huán)境。

此3 項(xiàng)分別用3 軸轉(zhuǎn)臺(tái)、移動(dòng)目標(biāo)模擬系統(tǒng)和移動(dòng)目標(biāo)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物理模擬。依據(jù)以上分析，導(dǎo)引頭仿真測試系統(tǒng)主要由移動(dòng)目標(biāo)模擬系統(tǒng)、導(dǎo)引頭姿態(tài)模擬系統(tǒng)（以3 軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)為主要設(shè)備）、仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)通信接口系統(tǒng)、移動(dòng)目標(biāo)試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)（時(shí)統(tǒng)、速度與位置實(shí)時(shí)監(jiān)控）等部分組成。圖4 所示為采用外場設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)引頭測試的仿真測試系統(tǒng)框圖。

圖4 采用外場設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)引頭測試的半實(shí)物仿真系統(tǒng)框圖

主要仿真設(shè)備包括：

（1）移動(dòng)目標(biāo)模擬系統(tǒng)：可見光目標(biāo)模型靶板、紅外整列靶板；

（2）導(dǎo)引頭姿態(tài)模擬系統(tǒng)：3 軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)；

（3）移動(dòng)目標(biāo)試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)。

2.3 火箭撬的移動(dòng)目標(biāo)試驗(yàn)平臺(tái)

（1）火箭撬總體方案。火箭橇［14-15］總體技術(shù)方案為：①運(yùn)動(dòng)過程分加速段、續(xù)航段、滑行段及制動(dòng)段；②固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；③反向火箭運(yùn)動(dòng)機(jī)制；④地面觸發(fā)和電子延時(shí)發(fā)火機(jī)構(gòu)的雙重制動(dòng)點(diǎn)火保險(xiǎn)；⑤采用微推偏噴管技術(shù)，降低質(zhì)心高度，左右對稱，減小力矩作用；⑥簡易導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)等［16］。

（2）火箭撬位置與速度實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)。在仿真的每一幀里都需要火箭橇的位置和速度作為已知參數(shù)，以供彈目視線的解算和視線角的實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn)。

（3）火箭撬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)?；鸺猎囼?yàn)系統(tǒng)與其它仿真設(shè)備之間存在時(shí)間統(tǒng)一的問題，在系統(tǒng)中需設(shè)計(jì)專門的時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)，或統(tǒng)一使用衛(wèi)星高精度授時(shí)，完成系統(tǒng)的時(shí)間同步。

2.4 移動(dòng)目標(biāo)模擬系統(tǒng)

移動(dòng)目標(biāo)模擬系統(tǒng)可以模擬慢速移動(dòng)目標(biāo)和快速移動(dòng)目標(biāo)。移動(dòng)目標(biāo)模擬是全系統(tǒng)的關(guān)鍵，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括紅外目標(biāo)模擬系統(tǒng)［17］（點(diǎn)紅外陣列靶板、控制計(jì)算機(jī)、圖形計(jì)算機(jī)等）、可見光目標(biāo)模型靶板［18-19］。紅外目標(biāo)模擬系統(tǒng)，包括模擬器本體（由場景發(fā)生器、測量標(biāo)定系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)以及相關(guān)通信設(shè)備組成）、控制計(jì)算機(jī)和紅外整列靶板。可模擬紅外目標(biāo)場景圖像、目標(biāo)／場景的紅外輻射特性，外場紅外整列目標(biāo)靶板主要通過一定空間頻率的目標(biāo)與背景溫差的紅外輻射信號(hào)，為被評定紅外成像單個(gè)靶元的精確系統(tǒng)提供定量的目標(biāo)，用于紅外系統(tǒng)的空間及溫度分辨率的鑒定，也可用于對激光波束的漫反射體。

3 軟 件

3.1 仿真軟件配置

整個(gè)仿真軟件系統(tǒng)采用windows xp多任務(wù)操作系統(tǒng)為主平臺(tái)操作系統(tǒng)，內(nèi)嵌RTX 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。上層任務(wù)系統(tǒng)采用Visual Studio 6.0 的MFC 編程，提供人機(jī)界面和任務(wù)管理。下層采用C 語言編程，編譯成*.rtss格式的實(shí)時(shí)任務(wù)程序。學(xué)生在程序內(nèi)直接完成板卡的驅(qū)動(dòng)初始化并設(shè)計(jì)符合C 語言標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口函數(shù)。

3.2 人機(jī)交互界面軟件

人機(jī)交互界面。采用VS6.0 下MFC編程，采用面向?qū)ο缶幊棠Ｊ?，? 個(gè)大的功能模塊區(qū)，如圖5所示。

圖5 上層任務(wù)程序框架

人機(jī)界面設(shè)計(jì)和處理程序，利用VC 標(biāo)準(zhǔn)控件設(shè)計(jì)，布局出可視化用戶監(jiān)視和操作處理界面。設(shè)計(jì)有過程狀態(tài)數(shù)據(jù)參數(shù)監(jiān)視區(qū)，過程仿真數(shù)據(jù)軌跡實(shí)時(shí)顯示區(qū)，仿真參數(shù)和狀態(tài)配置區(qū)，仿真任務(wù)啟動(dòng)停止操作等。DEMO示意設(shè)計(jì)界面如圖6（a）、（b）所示。

圖6 人機(jī)交互界面示意圖

RTX程序預(yù)處理和定時(shí)器創(chuàng)建程序，為上下層任務(wù)程序創(chuàng)建數(shù)據(jù)交互的共享內(nèi)存區(qū)，同時(shí)觸發(fā)下層實(shí)時(shí)任務(wù)程序。創(chuàng)建定時(shí)器是為上層任務(wù)程序創(chuàng)建非實(shí)時(shí)的定時(shí)任務(wù)打下基礎(chǔ)，可根據(jù)需要自行設(shè)置定時(shí)周期。定時(shí)任務(wù)程序用來進(jìn)行各種過程數(shù)據(jù)采集和界面顯示。

程序退出處理程序用來在關(guān)閉整個(gè)任務(wù)程序前對整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)處理。比如終止下層實(shí)時(shí)任務(wù)程序，關(guān)閉清理退還已創(chuàng)建的共享內(nèi)存。

3.3 下層實(shí)時(shí)軟件

下層實(shí)時(shí)任務(wù)程序有3 個(gè)核心任務(wù)部分。其任務(wù)程序架構(gòu)如圖7 所示。

圖7 實(shí)時(shí)任務(wù)程序架構(gòu)

（1）實(shí)時(shí)任務(wù)程序架構(gòu)和定時(shí)機(jī)制建立；

（2）各類硬件板卡驅(qū)動(dòng)和接口函數(shù)；

（3）用戶仿真時(shí)序程序和仿真數(shù)學(xué)模型代碼。

4 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

飛行器系統(tǒng)仿真模型包括飛行器自身彈體模型、氣動(dòng)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型等。在該環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)帶有落角約束的過重補(bǔ)比例導(dǎo)引律，設(shè)計(jì)帶有改善高動(dòng)態(tài)飛行器動(dòng)態(tài)阻尼性能的雙通道全解耦控制模型。目的是在解決高動(dòng)態(tài)室內(nèi)目標(biāo)動(dòng)態(tài)跟蹤的前提下保證自身的姿態(tài)穩(wěn)定，解決多類制導(dǎo)體制在不同海拔和轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定飛行、跟蹤并高精度命中目標(biāo)。在該環(huán)節(jié)中設(shè)定縱向制導(dǎo)指令為0.36 g（g ＝9.8 m／s2），側(cè)向制導(dǎo)指令為0 g，引入2 Hz的1 N·m的干擾力矩。對比不同轉(zhuǎn)速下原彈體和阻尼回路的數(shù)學(xué)模型與彈上計(jì)算機(jī)模型的姿態(tài)角響應(yīng)。對比不同轉(zhuǎn)速下數(shù)學(xué)仿真與半實(shí)物仿真的姿態(tài)角響應(yīng)曲線，如圖8 所示。通過對圖中數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)縱向通道和側(cè)向通道解耦效果良好，有阻尼情況下的設(shè)計(jì)比無阻尼狀態(tài)下的設(shè)計(jì)在動(dòng)態(tài)特性上有較大程度的改善。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下數(shù)學(xué)仿真與半實(shí)物仿真的姿態(tài)角響應(yīng)曲線對比

對比不同射程下增加阻尼的對比情況如圖9～12所示。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)飛行器的攻角、側(cè)滑角、俯仰角、偏航角的加噪聲有阻尼要比加噪聲無阻尼改善60%以上，無噪聲有阻尼比加噪聲有阻尼改善60%以上，實(shí)現(xiàn)了不同高度和轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的雙通道穩(wěn)定控制。

圖9 半實(shí)物仿真攻角曲線

圖10 半實(shí)物仿真?zhèn)然乔€

圖11 半實(shí)物仿真俯仰角曲線

圖12 半實(shí)物仿真偏航角曲線

5 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐

室內(nèi)外半實(shí)物仿真系統(tǒng)建成后主要用于本科生高年級(jí)及研究生的課程實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等，經(jīng)過2 個(gè)學(xué)年的新型實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、綜合學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、整體綜合成績均有顯著提高。實(shí)驗(yàn)課程體系的題目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)不僅體現(xiàn)了航空航天類系統(tǒng)建模與仿真的難點(diǎn)和特點(diǎn)，同時(shí)也針對不同層次的學(xué)生開展探索，可更好地因材施教，取得良好的教學(xué)效果，同時(shí)可進(jìn)一步與無人飛行器嵌入式一體化自制實(shí)驗(yàn)儀器和飛行器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。

6 結(jié)語

航空航天類專業(yè)制導(dǎo)控制室內(nèi)、外半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件搭建、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試、仿真圖像分析及外場火箭撬實(shí)驗(yàn)、抗干擾和效能評估等一系列實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對制導(dǎo)控制有全方位的認(rèn)知與理解。平臺(tái)的搭建，不僅可以滿足制導(dǎo)控制設(shè)計(jì)與仿真的要求，同時(shí)在航空航天領(lǐng)域的教學(xué)科研中也發(fā)揮了重要的作用。經(jīng)過該課程培訓(xùn)的學(xué)生多次獲得國家電子設(shè)計(jì)競賽一等獎(jiǎng)、北京市電子競賽一等獎(jiǎng)和國際阿布扎比無人機(jī)比賽金獎(jiǎng)等。實(shí)驗(yàn)探索將科研與教學(xué)深度融合，充分利用互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的教育多元性，有利于培養(yǎng)航空航天領(lǐng)域方向的復(fù)合型拔尖人才，提升我國航空航天類人才培養(yǎng)的層次，同時(shí)還可以提升航空航天、兵器類事業(yè)整體水平。