基于VeriStand的制導(dǎo)系統(tǒng)半實物仿真平臺的研究

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：實時仿真系統(tǒng)設(shè)計。

摘要：為保證制導(dǎo)系統(tǒng)半實物仿真的實時性和準(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(shè)計、降低開發(fā)周期、弱化人為影響的目的。制導(dǎo)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。

引言

　　運載火箭控制系統(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(dāng)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(shè)計的軌道飛行^[1]。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?zāi)軌蚩己思d計算機飛行軟件和制導(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。火箭控制系統(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(shè)計人員能力不一，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(dǎo)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Simulink、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(xué)上位機和動力學(xué)實時仿真機組成。

　　上位機為普通PC機。

　　實時仿真機硬件由NI機箱PXI-1042Q、零槽控制器PXI-8110以及實現(xiàn)相關(guān)功能的IO板卡組成。IO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、0/10V等)輸出模塊。平臺硬件結(jié)構(gòu)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PCI9054，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 Studio 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(shè)計后，通過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(zhí)行;同時通過VeriStand對動力學(xué)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(shè)計

　　仿真平臺中仿真模型由驅(qū)動接口模塊和動力學(xué)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(shè)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(xué)遙測發(fā)送至UDP發(fā)送模塊。因此UDP通信采用VeriStand中Custom Device的方式實現(xiàn)。

　　首先通過Custom Device模板工具生成Custom Device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(shè)置等。RT Driver VI定義了Custom Device驅(qū)動被下載到下位機運行的執(zhí)行行為。

　　2)1553B通信模塊

　　仿真平臺中1553B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，1553B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 1553B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(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實現(xiàn)1553B模塊的讀寫功能。因此，對1553B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：1553B讀數(shù)據(jù)功能、1553B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PCI9054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(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，重啟下位機后PharLap實時系統(tǒng)就能識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)的方式實現(xiàn)，通過VISA函數(shù)接口完成相應(yīng)的功能操作。

2.2.2 動力學(xué)解算模塊

　　該模塊中通過動力學(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(shù)中調(diào)用了VISA庫函數(shù)庫和AIT 1553B驅(qū)動函數(shù)庫，在VeriStand的makefile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) XXowl1553.lib

　　LIBS = $(LIBS) XXvisa32.lib

　　LIBS = $(LIBS)

3 仿真平臺的驗證

　　基于VeriStand 的火箭制導(dǎo)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(dǎo)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tmf文件自動生成代碼，編譯生成DLL文件。

　　2)在AIT Flight 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1553B初始化程序，生成lvmodel文件。

　　3)通過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(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(shè)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(yīng)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(dǎo)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(xué)上位機和目標(biāo)機組成。兩者通過以太網(wǎng)連接。上位機運行Simulink、LabVIEW、VeriStand和Visual Studio 2008四種軟件環(huán)境，進行火箭動力學(xué)模型及對應(yīng)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IO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、0/10V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(dǎo)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(yīng)用于火箭制導(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(shè)計有一定的參考和借鑒意義。

　　參考文獻：

　　[1]顧勝,祝學(xué)軍,楊華.基于1553B總線的運載火箭控制系統(tǒng)分析[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù),2005(3):9-12.

　　[2]陳宜成,朱友忠.運載火箭控制系統(tǒng)通用仿真軟件設(shè)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,閆長燦.箭載計算機在運載火箭中的功能研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2016(20):15-16.

　　[5]王好端.混合動力控制器集成開發(fā)平臺設(shè)計及應(yīng)用[D].清華大學(xué),2012.

　　[6]陳懷民,寇云林,吳成富,等.基于VxWorks半物理仿真中S-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(xué),2010.

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