摘 要：半實(shí)物仿真試驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證導(dǎo)航/制導(dǎo)/控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，考核性能參數(shù)，檢驗(yàn)飛控系統(tǒng)軟、硬件的協(xié)調(diào)性，是飛行器研制過程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。半實(shí)物仿真系統(tǒng)應(yīng)能服務(wù)于各類飛行器，即通用性是其關(guān)鍵評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。鑒于此，結(jié)合飛控系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)階段不同需求進(jìn)行仿真系統(tǒng)通用性研究，提出了一種通用仿真機(jī)設(shè)計(jì)方法，并開發(fā)了一套仿真主控軟件。通過將飛控計(jì)算機(jī)、慣導(dǎo)組件、舵機(jī)等實(shí)物和轉(zhuǎn)臺(tái)、負(fù)載臺(tái)等環(huán)境模擬設(shè)備集成到仿真機(jī)軟、硬件的通用仿真平臺(tái)內(nèi)，最終在某型靶標(biāo)飛行器半實(shí)物仿真過程中得到了應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：飛行器；半實(shí)物仿真；通用性；實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：V19" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0050-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.012

0" " 引言

硬件在環(huán)仿真（Hardware-in-the-loop Simulation，HILS）[1]即半實(shí)物仿真，是利用數(shù)學(xué)模型替代一部分真實(shí)設(shè)備及元器件，并與其他物理實(shí)物連接組成回路的一種實(shí)時(shí)仿真，能夠避免一些實(shí)物建模困難或模型不精確帶來的問題。半實(shí)物仿真能驗(yàn)證飛行控制軟件可靠性以及控制系統(tǒng)軟、硬件的協(xié)調(diào)性和匹配程度，對飛行器控制系統(tǒng)研究具有重要意義[2]。從研制周期及成本方面考慮，半實(shí)物仿真系統(tǒng)都被期待能夠具有通用性和擴(kuò)展性。

在工程中，數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真貫穿于飛行器研制的整個(gè)生命周期，但他們都有各自的局限性：數(shù)字仿真可以檢驗(yàn)控制算法的正確性，但不能驗(yàn)證控制系統(tǒng)的資源、時(shí)序和邏輯；半實(shí)物仿真雖能驗(yàn)證飛行控制軟件可靠性以及控制系統(tǒng)軟、硬件的匹配程度，但需要全部參試組件（慣導(dǎo)組件、彈載計(jì)算機(jī)、舵機(jī)、導(dǎo)引頭）聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行仿真[3]，可用于總體單位的出廠測試驗(yàn)收，但不適用于單獨(dú)的飛控計(jì)算機(jī)在環(huán)仿真測試，對于機(jī)、彈載配套單位使用不方便。

因此，本文主要研究如何提高半實(shí)物仿真系統(tǒng)的通用性，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真到所有硬件在環(huán)仿真的無縫銜接：設(shè)計(jì)上/下位機(jī)結(jié)構(gòu)的通用仿真計(jì)算機(jī)，通過飛行器模型的快速移植以及參試組件、轉(zhuǎn)臺(tái)、負(fù)載臺(tái)等設(shè)備的快速集成，建立仿真能力；并設(shè)計(jì)界面友好、功能全面的仿真控制軟件，支持飛行器半實(shí)物仿真的多模式運(yùn)行。

1" " 通用仿真機(jī)設(shè)計(jì)

1.1" " 通用仿真機(jī)設(shè)計(jì)思想

本節(jié)的研究對象通用仿真機(jī)面向無人飛行器仿真測試，其設(shè)計(jì)思想和技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段主要源于快速控制原型技術(shù)[4]，能夠?qū)a(chǎn)品研制不同階段使用到的全數(shù)字仿真、快速控制原型仿真、半實(shí)物仿真技術(shù)統(tǒng)合在一個(gè)平臺(tái)內(nèi)，通過在Simulink模型內(nèi)置選擇想要使能的模塊，實(shí)現(xiàn)不同仿真模式的無縫切換。全數(shù)字、快速原型與半實(shí)物仿真一體化思想原理如圖1所示。

下面從模型下載過程分別對圖1中三種仿真模式進(jìn)行介紹。

1）全數(shù)字仿真（Digital Simulation）：將飛行器六自由度模型[5]、執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型（舵機(jī)等）、傳感器數(shù)學(xué)模型（慣性測量組件）與制導(dǎo)/控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型全部下載到仿真計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)運(yùn)行，接受上位機(jī)任務(wù)管理及模型調(diào)度。不涉及實(shí)際系統(tǒng)的任何部件。負(fù)責(zé)六自由度彈道仿真、彈體及控制回路特性分析以及數(shù)字打靶統(tǒng)計(jì)的任務(wù)。

2）快速控制原型（RCP）：在飛控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)初期，將控制律算法下載到飛控快速原型機(jī)中，六自由度、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器的數(shù)學(xué)模型仍然下載到仿真計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)運(yùn)行。飛控快速原型機(jī)可以是一個(gè)包含真實(shí)飛控計(jì)算機(jī)主要硬件環(huán)境類似于開發(fā)板的模擬控制器，通過實(shí)際I/O接口與仿真機(jī)連接?？刂坡砷_發(fā)是一個(gè)迭代過程，通過仿真軟件自動(dòng)生成的可執(zhí)行代碼可快速驗(yàn)證，反復(fù)修改，效率高。國外很多公司已經(jīng)開始基于Simulink生成代碼進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，如美國特斯拉電動(dòng)汽車等。

3）飛控系統(tǒng)半實(shí)物（HIL）仿真：飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對其設(shè)計(jì)的控制算法編寫代碼，再將成熟的ANSI C代碼導(dǎo)入制導(dǎo)組合體，只將六自由度模型下載到仿真計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)運(yùn)行，并通過IO控制計(jì)算機(jī)采集導(dǎo)引頭、轉(zhuǎn)臺(tái)、組合體、舵機(jī)等物理設(shè)備的輸入信號，送入實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，代替相應(yīng)的數(shù)字仿真模型，進(jìn)行分系統(tǒng)仿真。

1.2" " 分布式仿真設(shè)計(jì)

由于半實(shí)物系統(tǒng)最重要的用途就是提供實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，所以對實(shí)時(shí)性的要求非常高。仿真計(jì)算機(jī)作為執(zhí)行實(shí)時(shí)運(yùn)算任務(wù)的單元，運(yùn)行QNX、Vxworks等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。模型編譯下載完成后，還需要一臺(tái)任務(wù)管理計(jì)算機(jī)與實(shí)時(shí)仿真機(jī)相連接，完成模型管理、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)等操作，實(shí)現(xiàn)對仿真機(jī)的控制。

因此，針對這樣的要求，通用仿真機(jī)的設(shè)計(jì)可以采用上下位機(jī)的仿真架構(gòu)（圖2），包括主控計(jì)算機(jī)（仿真上位機(jī)）和實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)（仿真下位機(jī)）。

由圖2可以看出，根據(jù)仿真任務(wù)對實(shí)時(shí)性要求的不同，將需要實(shí)時(shí)解算、實(shí)時(shí)采集以及實(shí)時(shí)通信的任務(wù)放在下位機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中運(yùn)行；仿真開始時(shí)，上位機(jī)中的飛行器模型及硬件接口程序經(jīng)仿真軟件聯(lián)合編譯后，生成的實(shí)時(shí)代碼分別被下載到下位機(jī)的硬盤中供處理器運(yùn)算和硬件板卡調(diào)用；飛行器模型在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中運(yùn)行，完成實(shí)時(shí)解算任務(wù)，而硬件接口程序用來驅(qū)動(dòng)下位機(jī)硬件資源，通過與飛控計(jì)算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等彈上組件連接，完成光纖通信、數(shù)據(jù)采集和交互等實(shí)時(shí)任務(wù)[6]。

仿真上位機(jī)運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，完成對仿真過程的調(diào)度、控制和監(jiān)測等非實(shí)時(shí)任務(wù)，并運(yùn)行滿足上述要求的仿真軟件；同時(shí)，在上位機(jī)中完成的工作還應(yīng)包括仿真環(huán)境中數(shù)學(xué)模型的搭建以及硬件接口程序的編寫及封裝。

上位機(jī)在半實(shí)物仿真運(yùn)行時(shí)，還作為控制終端以及VMIC網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器，將姿態(tài)模擬器、負(fù)載模擬器、衛(wèi)星模擬器、數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)和參試組件等設(shè)備集成在一個(gè)統(tǒng)一的閉環(huán)仿真環(huán)境當(dāng)中，對整個(gè)仿真過程加以調(diào)度和控制，并通過光纖實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。這樣就在上、下位機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上形成了一套完整的分布式仿真架構(gòu)。

1.3" " 代碼生成工具

半實(shí)物仿真考慮到系統(tǒng)的通用性及擴(kuò)展性，通常采用的是各類通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，并有成熟的商用軟件模塊支撐，如RT-LAB、dSPASE等。

本文以專業(yè)仿真軟件作為前端建模工具，采用上、下位機(jī)的分布式架構(gòu)，提供數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)代碼生成、下載等功能，具體系統(tǒng)運(yùn)行過程如下：

在仿真軟件環(huán)境下，通過RTW工具對C語言和圖形化語言共同搭建的半實(shí)物仿真模型進(jìn)行編譯，形成相應(yīng)的.sim和.x86文件，即完成了從半實(shí)物模型到實(shí)時(shí)代碼的轉(zhuǎn)化。

完成編譯后將.x86文件下載到仿真目標(biāo)機(jī)中，在QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行。下位機(jī)的RTOS系統(tǒng)內(nèi)核將模型代碼自動(dòng)分塊，飛行器模型在其內(nèi)部實(shí)時(shí)解算，硬件接口程序通過總線驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)I/O模塊與被控單元交換數(shù)據(jù)。

1.4" " 上位機(jī)主控軟件設(shè)計(jì)

仿真主控程序采用QT開發(fā)虛擬儀器界面，將模型的加載和修改、參數(shù)調(diào)整、模式選擇、過程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置等功能整合在一個(gè)仿真環(huán)境中，并實(shí)現(xiàn)基于曲線繪制的動(dòng)態(tài)特性分析。軟件通過解析代碼生成工具編譯好的.sim目標(biāo)文件，提取模型中的參數(shù)和信號，并根據(jù)上、下位機(jī)通信協(xié)議完成對下位機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行模型的調(diào)度和控制。

2" " 硬件接口設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)模型與實(shí)物組件的連接，需要根據(jù)被仿真對象的接口，選用相應(yīng)的硬件板卡，同時(shí)要能夠被仿真軟件調(diào)用。這包括彈上電信號調(diào)理和模型環(huán)境中調(diào)用板卡驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。

2.1" " 基于Simulink的硬件接口設(shè)計(jì)

在半實(shí)物仿真中，由于Simulink缺少數(shù)學(xué)模型與外部實(shí)物連接的接口模塊，例如發(fā)控時(shí)序，總線數(shù)據(jù)打包、解包等，通過編寫S-Function封裝形式的硬件接口相關(guān)代碼，調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)，可以為仿真模型增加實(shí)物接口。

S-Function是仿真軟件中用M、C、C++或Fortran等語言編寫的仿真模塊，通過S-Function提供的API函數(shù)可以靈活地編寫大量算法，提高模型庫的擴(kuò)展性。一個(gè)完整的S-Function包含輸入?yún)?shù)——輸入向量（u）、狀態(tài)向量（x）、當(dāng)前時(shí)間（t）以及輸出參數(shù)——通用返回參數(shù)（sys）、塊采樣時(shí)間和偏移量（ts）、初始狀態(tài)（x0）。

仿真環(huán)境的工作原理就是不停更新系統(tǒng)狀態(tài)的過程，系統(tǒng)可連續(xù)可離散。為了將S-Function嵌入到模型中，S-Function必須包含必要的callback（子函數(shù)）。仿真運(yùn)行時(shí)依次執(zhí)行：模型初始化、計(jì)算輸出、更新離散狀態(tài)、計(jì)算導(dǎo)數(shù)、進(jìn)入下一個(gè)采樣點(diǎn)循環(huán)，直至任務(wù)結(jié)束。S-Funciton子函數(shù)的調(diào)用以及仿真流程如圖3所示。

2.2" " 電氣接口適配器（調(diào)理箱）

調(diào)理箱的作用是完成硬件接口電信號的轉(zhuǎn)換。在半實(shí)物仿真中，要求仿真計(jì)算機(jī)和參試實(shí)物組件接口要統(tǒng)一，且滿足信息傳輸高精度、快速、強(qiáng)抗干擾能力的要求。因此，需要根據(jù)不同任務(wù)對信號、電氣特性的要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)隔離、放大、濾波等電信號的轉(zhuǎn)換。

通用信號按功能大致包括：飛行器上的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)等組件間的通信總線；開關(guān)量與時(shí)序接口；伺服機(jī)構(gòu)角位移模擬量采集，舵偏角指令模擬量輸出。綜上，半實(shí)物仿真平臺(tái)必備的硬件接口：RS-422/RS-485、AD、DA、DIO。

針對AD、DA、DIO以及一些無法使用通用數(shù)據(jù)采集卡的非標(biāo)信號（例如BMK信號），可以引入智能FPGA板卡，并基于FPGA設(shè)計(jì)硬件接口電路，通過編寫簡單的程序即可完成相應(yīng)信號的采集和輸出。

再加上聯(lián)網(wǎng)仿真時(shí)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互任務(wù)的VMIC反射內(nèi)存卡[7]，以及提供內(nèi)外部時(shí)鐘同步的高精度定時(shí)卡，就組成了分布式仿真下位機(jī)硬件資源的通用結(jié)構(gòu)。其硬件接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

調(diào)理電路主要用來對智能FPGA板卡的電信號進(jìn)行調(diào)整，使之與慣組模擬器、飛控組合體實(shí)物或角位置傳感器進(jìn)行適配[8]。圖4中開關(guān)量輸入/出、模擬量采集AD以及模擬量輸出DA電路的設(shè)計(jì)主要用到光耦隔離、達(dá)林頓晶體管、AD轉(zhuǎn)換芯片、245總線驅(qū)動(dòng)器等元器件搭建的模擬電路。

3" " 通用仿真平臺(tái)的多模設(shè)計(jì)

仿真平臺(tái)基于快速控制原型一體化的設(shè)計(jì)思想，將全數(shù)字仿真、快速控制原型與半實(shí)物仿真集成到統(tǒng)一環(huán)境中。為提高仿真平臺(tái)的通用性，以適應(yīng)飛行器控制系統(tǒng)研制各階段的仿真任務(wù)，軟件層設(shè)計(jì)了多種仿真模式。

表1中的仿真模式從上到下涵蓋了從模型在環(huán)到實(shí)物在環(huán)的所有中間環(huán)節(jié)，滿足仿真各階段的需求，從電信號傳輸?shù)慕嵌确治?，?shí)現(xiàn)了信號在仿真機(jī)內(nèi)流轉(zhuǎn)到信號在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上流轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換過程。

仿真模式切換的工作原理是在控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中加入所有傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和仿真設(shè)備等參試實(shí)物的數(shù)學(xué)模型以及硬件接口模塊，通過仿真頂層模型框架，收發(fā)VMIC仿真消息，使能需要的模塊，控制仿真流程，通過Switch開關(guān)選擇接入閉環(huán)仿真的是數(shù)學(xué)模型還是硬件接口模型，實(shí)現(xiàn)從模型在環(huán)到實(shí)物在環(huán)所有中間環(huán)節(jié)的一鍵切換。通用仿真平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｊ角袚Q原理如圖5所示，其開關(guān)與表1的仿真模式一一對應(yīng)。

其中以下面四種閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真模式最為常用：

1）全數(shù)字仿真。數(shù)學(xué)模型包括彈體動(dòng)力學(xué)模型、舵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型以及飛行控制律模型。

2）飛控在環(huán)仿真。數(shù)學(xué)仿真模型包括彈體動(dòng)力學(xué)模型、舵系統(tǒng)模型。通過飛控在環(huán)的閉環(huán)仿真試驗(yàn)，可以校驗(yàn)飛控計(jì)算機(jī)軟件算法的正確性，評估其控制性能的優(yōu)劣。

3）飛控+舵機(jī)在環(huán)仿真。數(shù)學(xué)仿真模型中包括彈體動(dòng)力學(xué)模型。通過飛控+舵機(jī)在環(huán)的閉環(huán)仿真試驗(yàn)，可以考核飛控計(jì)算機(jī)控制算法的正確性，分析舵機(jī)性能對控制性能的影響。

4）飛控+舵機(jī)+慣組在環(huán)仿真。數(shù)學(xué)仿真模型中包括彈體動(dòng)力學(xué)模型。通過飛控+舵機(jī)+慣組在環(huán)的閉環(huán)仿真試驗(yàn)，可以考核飛控計(jì)算機(jī)控制算法的正確性，分析舵機(jī)性能對控制性能的影響，研究慣組系統(tǒng)的作用，驗(yàn)證完整回路下飛控系統(tǒng)的性能。

4" " 某靶標(biāo)飛行器仿真設(shè)計(jì)實(shí)例

下面以某靶標(biāo)飛行器的半實(shí)物仿真試驗(yàn)為應(yīng)用背景，檢驗(yàn)仿真平臺(tái)的可靠性。

4.1" " 通用仿真平臺(tái)搭建

本試驗(yàn)中的靶標(biāo)飛行器已處于試飛前的驗(yàn)證階段，傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等參試組件已經(jīng)齊備，需要進(jìn)行全系統(tǒng)閉環(huán)測試并檢驗(yàn)各分系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)性。

為了驗(yàn)證仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)，本章伴隨同步開展某靶標(biāo)飛行器的飛控+舵機(jī)+慣組在環(huán)（全狀態(tài)）半實(shí)物仿真。將仿真機(jī)、參試實(shí)物組件、仿真儀器設(shè)備、仿真軟件和VMIC網(wǎng)絡(luò)[9]通信協(xié)議集成到一個(gè)仿真回路當(dāng)中；然后將飛行器數(shù)學(xué)模型嵌入到的仿真平臺(tái)頂層框架中，即完成了仿真模型的快速移植，能夠迅速將飛行器數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為半實(shí)物模型并展開仿真驗(yàn)證。

在整個(gè)VMIC實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中，仿真上位機(jī)作為服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)注冊、網(wǎng)絡(luò)地址動(dòng)態(tài)分配、共享數(shù)據(jù)匹配等工作，將六自由度仿真機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)、負(fù)載臺(tái)、數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)等客戶機(jī)連接在一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)分布式仿真平臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)功能。

基于仿真軟件環(huán)境下模型封裝與接口設(shè)計(jì)的思想，為通用仿真平臺(tái)搭建了一套實(shí)時(shí)仿真模型框架，再配合VMIC網(wǎng)絡(luò)函數(shù)庫，可實(shí)現(xiàn)分布式仿真，完成多種仿真模式切換。模型頂層框架主要包括VMIC數(shù)據(jù)讀取模塊、仿真消息判斷模塊、飛控系統(tǒng)模型和IMU數(shù)據(jù)模塊，不同飛行程序嵌入到該框架中，即完成模型的快速移植。

4.2" " 某型靶標(biāo)半實(shí)物設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

仿真停止時(shí)主控界面示波器曲線如圖6所示。

從圖6（a）（b）可以看到高度、速度指令和實(shí)際飛行高度、速度重合；圖（c）中兩條曲線分別為實(shí)測攻角和側(cè)滑角，符合控制律設(shè)計(jì)的期望，與數(shù)字仿真結(jié)果相同；圖（d）中飛行全過程真實(shí)舵機(jī)收斂、曲線未發(fā)散，說明飛控器全程可控。

4.3" " 結(jié)論

通過上述四組仿真圖的對比，可以驗(yàn)證無人飛行器控制系統(tǒng)的控制律以及飛控軟、硬件的協(xié)調(diào)度，并能獲得最接近真實(shí)飛行試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)。綜上，通用仿真平臺(tái)可以作為半實(shí)物仿真試驗(yàn)有效的分析及驗(yàn)證工具，并且憑借它良好的通用性，支撐多數(shù)無人飛行器快速開展半實(shí)物仿真工作，同時(shí)滿足仿真各階段的需求。

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收稿日期：2025-01-14

作者簡介：趙斌（1990—），男，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向：飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真。