基于RTX的制導控制半實物仿真系統設計*

陳俊杰,吳盤龍,何 山,姚文典

(南京理工大學,江蘇 南京 210094)

對于導彈制導控制系統仿真,半實物仿真是除了導彈發射試驗外,可以驗證導彈制導控制系統設計正確性的唯一方式。相較純數字仿真,半實物仿真通過在仿真閉環回路中接入物理設備[1-3],仿真數據更加接近實際,是導彈制導控制系統研制過程中必需環節。

半實物仿真平臺可以實現半實物物理設備連接、數據檢測、信號傳輸、仿真過程控制、制導模型仿真驗證等功能[4-6]。隨著導彈制導技術的發展,半實物仿真平臺對實時性、通用性、可靠性及可擴展性要求越來越高。操作系統、半實物仿真系統必須滿足高實時性,目前多采用RTX、dSPACE、FreeRTOS、RT-Lab,Speedgoat等其他實時操作系統。dSpace是一種實時仿真系統,是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及半實物仿真的軟硬件工作平臺。多應用于微處理器的FreeRTOS實時操作系統,是一個輕量級的操作系統。RT-Lab實時操作系統是一種用于動力與電氣工程領域的科學儀器,是一套工業級的系統實時仿真平臺軟件包。Speedgoat實時系統中Simulink Real-Time工具箱與Matlab/Simulink兼容最好,仿真操作均在Matlab中進行?；诒疚牡脑O計方案,工業控制計算機工作在Windows系統下,RTX實時子系統是Windows系統的擴展子系統,可以充分利用Windows系統下各種資源、API函數等,方便針對硬件實時驅動、人機交互界面等方面進行開發。文獻[7-8]分別介紹了導彈半實物仿真的三維場景構建和導引頭半實物模型構建,但均未搭建一套完整的導彈制導控制半實物仿真系統。本文根據目前飛行器制導控制技術[9-11]和半實物仿真裝備研究現況與進展,設計一套基于RTX的導彈制導控制半實物仿真系統,滿足了半實物仿真系統高實時性、高通用性、高擴展性的要求,且通過了制導武器半實物仿真試驗可信度評估[12-13],在保留Windows系統優勢的基礎上,通過引進RTX實時子系統,解決了Windows系統實時性較弱的問題。

1 RTX系統簡介

RTX實時系統是Windows系統下的一個實時擴展子系統,也是一個基于軟件的硬實時解決方案。它通過對IRQ、I/O、系統內存等的精確控制,確保實時任務的可靠性、數據傳輸的準確性。RTX實時子系統還支持30 kHz的持續中斷觸發速度,平均延遲小于1 μs。

RTX實時子系統與Windows操作系統之間可以實現全面兼容,并且可以充分保留Windows系統的各種資源,其中包括Windows系統下大量標準的API函數、Windows系統的內存管理機制等。作為Windows系統下的一個實時擴展系統,RTX不會對Windows系統下的架構作任何封裝和修改。

RTX實時子系統擁有精確高速的任務調度器,其最多支持1 000個獨立的進程。RTX實時子系統擁有128個優先級,并且針對線程切換時間具有嚴格要求,可以滿足幾乎所有用戶的編程需要。

RTX實時子系統同時也是軟件開發解決方案,可以將包括Windows 2000、Windows XP等各版本系統拓展到時間控制領域,使得上述各版本系統轉為實時操作系統。因此基于RTX實時子系統拓展的RTOS,不僅可以實現對實時性要求高的任務開發,也可以實現非實時性任務開發。

2 RTX與Windows數據交互機制

半實物仿真需要真實硬件參與制導控制解算回路,半實物仿真平臺需要可操作性、通用性,更需要保證半實物仿真平臺的高實時性,以保證半實物仿真系統的可靠性,進而檢驗導彈制導系統設計結果和軟件設計的正確性。實時仿真軟件中采用共享內存交互機制,能夠高速且準確實現RTX與Windows之間的數據交互,并且滿足上述所有要求。

共享內存是進程間共享數據的最快的方法,一個進程向共享內存池寫入數據,共享內存池的所有進程均擁有讀權限。根據仿真數據交互需求,本文介紹的半實物仿真系統需要提供兩片共享內存池,該半實物仿真系統中共享內存的數據交互工作流程如圖1所示。

圖1 數據交互流程圖Fig.1 Data interaction flowchart

在仿真流程開始前,Win32進程讀取仿真各初始參數后,需要傳輸給RTSS進程,此時Win32進程需要創建第一片共享內存池,同時擁有寫權限,RTSS進程僅擁有讀權限。

在仿真流程開始后,RTSS進程收到控制組合模擬單元解算數據,需要上傳至Win32進程,Win32進程通過光纖上傳至工作站的監控軟件。此時RTSS進程需要創建第二片共享內存池,擁有寫權利,Win32進程僅擁有讀權利。

3 半實物仿真系統設計

基于RTX的制導控制半實物仿真系統結構如圖2所示。半實物仿真系統主要由工作站、工業控制計算機、控制組合模擬單元組成。

圖2 基于RTX的制導控制半實物仿真系統結構Fig.2 Basic structure of RTX-based hardware-in-the-loop simulation system for guidance and control

3.1 半實物仿真系統硬件設計

3.1.1 工作站

工作站主要負責數據采集、顯示、控制組合模擬單元軟件調試、上傳,數據處理與分析。

工作站通過RS422串口與控制組合模擬單元連接,實現控制組合模擬單元軟件調試與上傳,并接收控制組合模擬單元按周期發送的實時仿真數據并上傳到地面監控軟件,實現數據采集和顯示。

光纖通信模塊主要完成工作站與工業控制計算機之間的光纖通信。工作站和工業控制計算機分別搭載VMIPMC-5565反射內存實時網卡,并通過光纖連接,構成VMIC實時網絡。

3.1.2 工業控制計算機

工業控制計算機主要用于硬件接口模擬和為飛控算法的運行提供實時運行環境,可實現在RTX環境下進行制導姿控算法計算。

工業控制計算機的串口通信模塊負責半實物仿真過程中與控制組合模擬單元的數據交互,通過4路RS422串口與控制組合模擬單元的串口卡相連,其中1路串口負責仿真指令發送與接收,其余3路串口分別負責將GPS、IMU、裝訂數據發送至控制組合模擬單元。

工業控制計算機中1553B通信模塊實現與控制組合模擬單元之間飛控數據交互,其中工業控制計算機作為BC(工控機),控制組合模擬單元作為RT(彈載計算機)。

工業控制計算機搭載的時鐘同步模塊主要負責接收同步時鐘信號;模擬量輸入/輸出模塊模擬實際舵偏的采集及舵偏指令的下發;數字量輸入/輸出模塊作為備用接口,便于二次開發。

3.1.3 控制組合模擬單元

控制組合模擬單元主要提供嵌入式的軟硬件運行環境,該單元帶有開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、時鐘同步模塊、1553B通訊模塊、RS422串口通信模塊。

控制組合模擬單元搭載的RS422串口通信模塊共搭載8路串口,其中1路串口與工作站連接,用于實現控制組合模擬單元軟件調試與上傳;4路串口與工業控制計算機連接,1路串口用于接收與發送仿真相關指令,3路串口分別用于接收工業控制計算機發送的GPS、IMU、裝訂數據;1路串口發送1 kHz時鐘信號,用于時鐘同步。

3.2 半實物仿真軟件設計

半實物仿真軟件是仿真系統的核心部分,系統軟件結構先進性、可靠性、功能完備性是半實物仿真系統成敗的關鍵。

該半實物仿真系統軟件主要包括工作站搭載的地面監控軟件、工業控制計算機搭載的實時仿真軟件及控制組合模擬單元搭載的導航、制導與控制仿真軟件。

工作站搭載的地面監控軟件主要完成控制組合模擬單元軟件上傳、數據采集、數據顯示與數據存儲。

工業控制計算機搭載的實時仿真軟件包括了彈道仿真軟件及通信管理軟件。彈道仿真軟件基于RTX環境下開發,進行實時飛控計算;通信管理軟件是基于Windows環境下開發的人機交互界面,完成I/O卡參數設定、諸元裝訂、仿真指令下發等功能。工業控制計算機是在Windows和RTX實時操作系統環境下完成實時仿真軟件開發,Windows環境下的任務和RTX環境下的任務可以通過共享內存共享數據,使用Windows和RTX的架構既可以擁有Windows環境下的特性,也提高了系統的實時性。

控制組合模擬單元搭載的導航、制導與控制仿真軟件具有上電初始化及自檢、數據上傳和下載、數據固化、內存單元讀取和回傳等功能。

3.3 半實物仿真試驗流程設計

基于RTX的制導控制半實物仿真系統試驗流程主要包括:

1)工作站上的監控界面打開光纖通信模塊,發送試驗開始指令;

2)在工業控制計算機的實時仿真軟件進行串口號以及波特率的設置,然后進行系統通信自檢;

3)自檢成功后,地面監控軟件向控制組合模擬單元發送向內存寫入固件指令;

4)控制組合模擬單元收到指令后將待寫固件寫入對應內存,等待工業控制計算機發送仿真初始條件;

5)工業控制計算機的實時仿真軟件加載工況,將GPS、IMU、裝訂數據分別通過串口2、3、4發送給控制組合模擬單元;

6)控制組合模擬單元進行模型解算,并實時向工業控制計算機傳輸仿真數據;

7)工業控制計算機將接收到的數據通過光纖通信模塊傳輸給監控界面。

4 半實物仿真系統試驗驗證

為驗證半實物仿真系統的性能,按照該仿真試驗流程進行場景驗證,試驗主要包括對數據傳輸實時性、數據可靠性、半實物仿真試驗流程正確性進行驗證。

4.1 系統實時性驗證

表1的測試數據可以得出,多個實時性能指標RTSS線程明顯優于Win32線程。作者利用RTSS工作線程來完成仿真,可以獲得較好的實時性能,滿足實時仿真對實時性的要求。

表1 RTSS進程性能測試(CPU滿負荷下)

本文設計的半實物仿真系統中加入了導彈制導控制6DoF模型、調度流程等,需要對半實物仿真系統的實時性進行性能測試。在運行導彈制導控制半實物仿真系統后,對系統的延遲情況進行了20 ms的測試。表2的測試數據表明,基于RTX的制導控制半實物仿真系統在加入了導彈制導控制模型后仍具有良好的實時性。

表2 系統延遲測試結果

4.2 半實物仿真數據傳輸正確性驗證

作者需要通過工業控制計算機對控制組合模擬單元進行諸元裝訂,實時仿真軟件中Win32進程通過讀取本地文件初始諸元參數,再通過共享內存下傳到RTSS進程,仿真結果如圖3所示。

圖3 地面監控軟件數據與控制組合模擬單元數據對比Fig.3 Data comparison of ground monitoring software and control combined simulation unit

在半實物仿真過程中,RTSS進程通過定時器以5 ms 為周期,將慣導和導引頭數據通過RS422串口下傳到控制組合模擬單元進行模型解算,然后控制組合模擬單元通過RS422串口將模型解算數據上傳至實時仿真軟件中RTSS進程,RTSS進程再通過共享內存上傳至Win32進程,Win32進程通過VMIC光纖通信模塊上傳至工作站中地面監控軟件,完成實時仿真數據監控。

圖3中藍線表示地面監控軟件通過光纖通信模塊接收RTSS進程發送的模型解算數據,紅線表示控制組合模擬單元發送至工業控制計算機中RTSS進程的數據。

通過對比可以得到結論:地面監控軟件接收的數據與控制組合模擬單元遙測輸出的數據相同,半實物仿真系統數據傳輸沒有誤差,該半實物仿真系統可靠性和數據傳輸準確性高。

綜上所述,本文所介紹的半實物仿真系統設計合理,且具有高實時性、高準確性、高可靠性。

5 結束語

本文主要介紹了基于RTX的制導控制半實物仿真系統的基本原理與系統組成,通過詳細描述半實物仿真系統的組成及工作原理,并且根據場景驗證,基于RTX的制導控制半實物仿真平臺可實現控制組合模擬單元軟件上傳、實時控制導彈制導半實物仿真指令下發、實時監控仿真過程中導彈各參數等功能。測試結果表明該半實物仿真系統是正確且合理的。