基于VeriStand的制導系統半實(shí)物仿真平臺的研究

作者/ 范勇 劉曌 李釗 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 201109)

范勇(1987-)，男，碩士，助理工程師，研究方向：實(shí)時(shí)仿真系統設計。

摘要：為保證制導系統半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)性和準確性，縮短開(kāi)發(fā)周期，本文基于VeriStand、Simulink和PharLap組合方式構建實(shí)時(shí)仿真平臺。該平臺通過(guò)VeriStand實(shí)現對仿真模型的在線(xiàn)管理和仿真試驗的控制，以及對模型參數的在線(xiàn)顯示和修改;采用PharLap實(shí)時(shí)操作系統保證仿真模型執行的實(shí)時(shí)性，通過(guò)Simulink對系統進(jìn)行建模，達到快速仿真設計、降低開(kāi)發(fā)周期、弱化人為影響的目的。制導半實(shí)物仿真試驗表明：仿真平臺工作可靠，實(shí)時(shí)性能好，能夠提高半實(shí)物仿真試驗的開(kāi)發(fā)效率和可靠性。

引言

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

　　仿真軟件是整個(gè)仿真系統的靈魂^[3]，仿真軟件的質(zhì)量直接影響半實(shí)物仿真試驗結果的精度和可靠性?；鸺刂葡到y具有高速實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，在箭載計算機中，數據采樣時(shí)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(shí)間或它的數倍^[4]，這就要求仿真系統具備實(shí)時(shí)性。對于不同型號的半實(shí)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果。

　　為了在線(xiàn)管理和控制仿真試驗，保證火箭制導系統半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)性、可靠性，降低開(kāi)發(fā)周期。本文提出一種基于VeriStand、Simulink和PharLap組合的方式構建半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺，一方面通過(guò)PharLap操作系統保證了系統仿真的實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)周期。同時(shí)通過(guò)VeriStand可以實(shí)現對實(shí)時(shí)仿真平臺進(jìn)行管理和在線(xiàn)顯示、修改仿真模型參數，實(shí)現對仿真過(guò)程的在線(xiàn)管理和控制。

1 VeriStand和平臺硬件組成

1.1 VeriStand簡(jiǎn)介

　　VeriStand[5]是一款開(kāi)放的實(shí)時(shí)測試和仿真軟件。它支持多種模型開(kāi)發(fā)環(huán)境，包含Simulink、LabVIEW、MapleSim、FORTRAN/C/C++等。用戶(hù)通過(guò)它能夠實(shí)時(shí)編輯用戶(hù)界面、控制和顯示仿真模型參數、監控和管理仿真模型和實(shí)時(shí)系統。

1.2 平臺硬件組成

　　實(shí)時(shí)仿真平臺由動(dòng)力學(xué)上位機和動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)仿真機組成。

　　上位機為普通PC機。

　　實(shí)時(shí)仿真機硬件由NI機箱PXI-1042Q、零槽控制器PXI-8110以及實(shí)現相關(guān)功能的IO板卡組成。IO功能板卡包括1553B總線(xiàn)通信模塊、秒脈寬輸出模塊和狀態(tài)(繼電器、0/10V等)輸出模塊。平臺硬件結構框圖如圖1所示。

　　1553B通信模塊采用AIT的PXI-1553B 2通道板卡，用來(lái)模擬箭上單機的接口與箭體計算機進(jìn)行1553B的數據通信。

　　秒脈沖輸出模塊用來(lái)模擬GNSS秒脈沖信號，對箭體計算機進(jìn)行校對;狀態(tài)輸出模塊用來(lái)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，結構上采用子母板結合的方式，子板的主體為FPGA，它將實(shí)現具體的邏輯功能。并將上行和下行數據進(jìn)行保存。母板的主體為PCI9054，通過(guò)CPCI總線(xiàn)，負責FPGA的數據與零槽控制器的數據進(jìn)行交換。板卡功能結構框圖如圖2所示。

2 仿真平臺實(shí)現

2.1 實(shí)時(shí)仿真開(kāi)發(fā)框架

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

　　在上位機完成仿真軟件的設計后，通過(guò)VeriStand軟件的配置和控制，將仿真軟件下載到下位機中并在VeriStand引擎框架中執行;同時(shí)通過(guò)VeriStand對動(dòng)力學(xué)仿真軟件參數進(jìn)行在線(xiàn)顯示和修改，最終實(shí)現半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真的目的。

　　實(shí)時(shí)仿真開(kāi)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動(dòng)接口模塊和動(dòng)力學(xué)仿真模型模塊組成，其中驅動(dòng)接口模塊包含UDP接口模塊、UDP發(fā)送模塊、1553B總線(xiàn)驅動(dòng)模塊、狀態(tài)卡驅動(dòng)模塊、秒脈沖卡驅動(dòng)模塊。仿真模型的結構框圖如圖4所示。

2.2.1 驅動(dòng)接口設計

　　基于VeriStand可以采用多種方式開(kāi)發(fā)驅動(dòng)模塊。由于Simulink工具包不包含支持PharLap實(shí)時(shí)系統的硬件驅動(dòng)模塊庫，在仿真平臺中需要根據實(shí)際使用環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)驅動(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(kāi)始時(shí)采集UDP接收模塊的命令包，然后再在周期結束時(shí)將動(dòng)力學(xué)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(shí)現。

　　首先通過(guò)Custom Device模板工具生成Custom Device工程，工程中主要包含3個(gè)VI。Initialization VI完成Custom Device驅動(dòng)程序被添加到VeriStand時(shí)的功能。Main Page完成Custom Device驅動(dòng)程序被添加到VeriStand后配置Custom Device的功能，比如UDP通信中的IP、端口號設置等。RT Driver VI定義了Custom Device驅動(dòng)被下載到下位機運行的執行行為。

　　2)1553B通信模塊

　　仿真平臺中1553B驅動(dòng)模塊分為初始化模塊和讀寫(xiě)操作模塊。

　　通過(guò)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，但是只存在調用該文件的LabVIEW函數接口。因此，1553B通信初始化模塊采用LabVIEW生成VeriStand *.lvmodel類(lèi)型模型文件的方式實(shí)現。

　　在仿真模型中AIT 1553B板卡用來(lái)模擬多種箭上單機的接口，通信方式無(wú)規律，存在相應的C函數接口和LabVIEW函數接口。Custom Device的執行和仿真模型的執行是并行關(guān)系，不適合采用Custom Device實(shí)現1553B模塊的讀寫(xiě)功能。因此，對1553B模塊的讀寫(xiě)操作采用S函數[6]的方式實(shí)現。實(shí)現的功能有：1553B讀數據功能、1553B寫(xiě)數據功能、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PCI9054接口芯片，支持VISA^[7]函數接口的調用，因此，采用S函數的方式實(shí)現。

　　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。系統中使用NI-VISA Driver Wizard工具，根據設備的基本屬性(PCI Device ID和Vector ID)生成*.inf文件，然后通過(guò)FTP下傳到下位機，重啟下位機后PharLap實(shí)時(shí)系統就能識別該硬件基本信息并分配硬件設備名稱(chēng)。

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

2.2.2 動(dòng)力學(xué)解算模塊

　　該模塊中通過(guò)動(dòng)力學(xué)方程解算出火箭的姿態(tài)和位置信息，然后根據姿態(tài)和位置信息轉換成捷聯(lián)慣組的輸出并通過(guò)1553B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函數中調用了VISA庫函數庫和AIT 1553B驅動(dòng)函數庫，在VeriStand的makefile文件NIVeriStand_vc.tmf的LIBS中添加對兩種函數庫文件的包含，添加內容如下：

　　LIBS = $(LIBS) XXowl1553.lib

　　LIBS = $(LIBS) XXvisa32.lib

　　LIBS = $(LIBS)

3 仿真平臺的驗證

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

　　以某型火箭為例，該制導系統的半實(shí)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VeriStand提供的TLC文件和修改的tmf文件自動(dòng)生成代碼，編譯生成DLL文件。

　　2)在A(yíng)IT Flight Simulyzer軟件中完成AIT板卡的配置文件的輸出，通過(guò)FTP下傳到下位機指定目錄。通過(guò)LabVIEW編寫(xiě)1553B初始化程序，生成lvmodel文件。

　　3)通過(guò)Custom Device Template 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引擎可執行的文件。

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

　　5)將配置好的VeriStand應用程序下載到下位機運行，通過(guò)VeriStand工程的監控界面實(shí)現對仿真模型參數的實(shí)時(shí)顯示和在線(xiàn)修改。

　　按某型火箭搭建的制導系統半實(shí)物仿真驗證平臺的實(shí)物圖如圖6所示。該平臺由動(dòng)力學(xué)上位機和目標機組成。兩者通過(guò)以太網(wǎng)連接。上位機運行Simulink、LabVIEW、VeriStand和Visual Studio 2008四種軟件環(huán)境，進(jìn)行火箭動(dòng)力學(xué)模型及對應硬件驅動(dòng)接口模型的編譯、下載和硬件在環(huán)的監控管理。下位機為PharLap系統，運行VeriStand引擎，配置的IO功能板卡包括：1553B總線(xiàn)通信模塊，秒脈寬輸出模塊，狀態(tài)(繼電器、0/10V等)輸出模塊。

　　對比某型箭機半實(shí)物仿真試驗結果可知，建立的基于VeriStand的制導系統半實(shí)物仿真平臺能夠較快的進(jìn)行箭機的硬件在環(huán)仿真，試驗真實(shí)、有效，提高了半實(shí)物仿真平臺實(shí)時(shí)性和開(kāi)發(fā)效率。

4 結論

　　本文通過(guò)VeriStand、Simulink、PharLap組合的方式來(lái)構建實(shí)時(shí)仿真平臺，并成功地應用于火箭制導系統半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統中。試驗結果證明仿真平臺工作可靠，實(shí)時(shí)性能好，能夠滿(mǎn)足火箭制導系統半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí)平臺降低了仿真軟件開(kāi)發(fā)周期，增強了仿真軟件設計的可靠性，實(shí)現了對仿真模型的過(guò)程監控和控制，對其它半實(shí)物仿真平臺的設計有一定的參考和借鑒意義。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第65頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。