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基于VeriStand的制导系统半实物仿真平台的研究

作者:范勇 刘曌 李钊时间:2017-08-29来源:电子产品世界
编者按:为保证制导系统半实物仿真的实时性和准确性,缩短开发周期,本文基于VeriStand、Simulink和PharLap组合方式构建实时仿真平台。该平台通过VeriStand实现对仿真模型的在线管理和仿真试验的控制,以及对模型参数的在线显示和修改;采用PharLap实时操作系统保证仿真模型执行的实时性,通过Simulink对系统进行建模,达到快速仿真设计、降低开发周期、弱化人为影响的目的。制导半实物仿真试验表明:仿真平台工作可靠,实时性能好,能够提高半实物仿真试验的开发效率和可靠性。

作者/ 范勇 刘曌 李钊 上海航天控制技术研究所(上海 201109)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201708/363625.htm

范勇(1987-),男,硕士,助理工程师,研究方向:实时仿真系统设计。

摘要:为保证的实时性和准确性,缩短开发周期,本文基于、Simulink和PharLap组合方式构建实时仿真平台。该平台通过实现对仿真模型的在线管理和仿真试验的控制,以及对模型参数的在线显示和修改;采用PharLap实时操作系统保证仿真模型执行的实时性,通过Simulink对系统进行建模,达到快速仿真设计、降低开发周期、弱化人为影响的目的。制导试验表明:仿真平台工作可靠,实时性能好,能够提高试验的开发效率和可靠性。

引言

  运载火箭控制系统的主要功能是制导、姿态控制和指令控制等[1]。制导的任务是对火箭质心的运动参数进行实时敏感测量、计算和控制。当火箭的运动参数达到要求值时,关闭发动机,使火箭按设计的轨道飞行[1]。半实物仿真试验技术是运载火箭控制系统研制不可缺少的手段[2]。通过半实物仿真试验能够考核箭载计算机飞行软件和方案的正确性,保证火箭飞行可靠。

  仿真软件是整个仿真系统的灵魂[3],仿真软件的质量直接影响半实物仿真试验结果的精度和可靠性。火箭控制系统具有高速实时的特点,在箭载计算机中,数据采样时间间隔一般为几毫秒到几十毫秒,计算周期等于采样间隔时间或它的数倍[4],这就要求仿真系统具备实时性。对于不同型号的半实物仿真,由于设计人员能力不一,不能保证仿真软件准确可靠,从而影响试验的周期和结果。

  为了在线管理和控制仿真试验,保证火箭半实物仿真的实时性、可靠性,降低开发周期。本文提出一种基于、Simulink和PharLap组合的方式构建半实物实时仿真平台,一方面通过PharLap操作系统保证了系统仿真的实时性,另一方面利用并生成代码达到快速仿真的目的,缩短项目开发周期。同时通过VeriStand可以实现对实时仿真平台进行管理和在线显示、修改仿真模型参数,实现对仿真过程的在线管理和控制。

1 VeriStand和平台硬件组成

1.1 VeriStand简介

  VeriStand[5]是一款开放的实时测试和仿真软件。它支持多种模型开发环境,包含Simulink、LabVIEW、MapleSim、FORTRAN/C/C++等。用户通过它能够实时编辑用户界面、控制和显示仿真模型参数、监控和管理仿真模型和实时系统。

1.2 平台硬件组成

  实时仿真平台由动力学上位机和动力学实时仿真机组成。

  上位机为普通PC机。

  实时仿真机硬件由NI机箱PXI-1042Q、零槽控制器PXI-8110以及实现相关功能的IO板卡组成。IO功能板卡包括1553B总线通信模块、秒脉宽输出模块和状态(继电器、0/10V等)输出模块。平台硬件结构框图如图1所示。

  1553B通信模块采用AIT的PXI-1553B 2通道板卡,用来模拟箭上单机的接口与箭体计算机进行1553B的数据通信。

  秒脉冲输出模块用来模拟GNSS秒脉冲信号,对箭体计算机进行校对;状态输出模块用来模拟星箭分离信号。秒脉冲输出模块和状态输出模块均为自研产品,结构上采用子母板结合的方式,子板的主体为FPGA,它将实现具体的逻辑功能。并将上行和下行数据进行保存。母板的主体为PCI9054,通过CPCI总线,负责FPGA的数据与零槽控制器的数据进行交换。板卡功能结构框图如图2所示。

2 仿真平台实现

2.1 实时仿真开发框架

  上位机为Windows系统,运行Simulink、LabVIEW、VeriStand和Visual Studio 2008四种软件环境,下位机为PharLap系统,运行VeriStand引擎,两者通过以太网连接。

  在上位机完成仿真软件的设计后,通过VeriStand软件的配置和控制,将仿真软件下载到下位机中并在VeriStand引擎框架中执行;同时通过VeriStand对动力学仿真软件参数进行在线显示和修改,最终实现半实物实时仿真的目的。

  实时仿真开发框架如图3所示。

2.2 平台的设计

  仿真平台中仿真模型由驱动接口模块和动力学仿真模型模块组成,其中驱动接口模块包含UDP接口模块、UDP发送模块、1553B总线驱动模块、状态卡驱动模块、秒脉冲卡驱动模块。仿真模型的结构框图如图4所示。

2.2.1 驱动接口设计

  基于VeriStand可以采用多种方式开发驱动模块。由于Simulink工具包不包含支持PharLap实时系统的硬件驱动模块库,在仿真平台中需要根据实际使用环境来开发驱动接口模块。

  1)UDP通信模块

  由于UDP通信与仿真模型为串行关系,即在仿真模型一个周期开始时采集UDP接收模块的命令包,然后再在周期结束时将动力学遥测发送至UDP发送模块。因此UDP通信采用VeriStand中Custom Device的方式实现。

  首先通过Custom Device模板工具生成Custom Device工程,工程中主要包含3个VI。Initialization VI完成Custom Device驱动程序被添加到VeriStand时的功能。Main Page完成Custom Device驱动程序被添加到VeriStand后配置Custom Device的功能,比如UDP通信中的IP、端口号设置等。RT Driver VI定义了Custom Device驱动被下载到下位机运行的执行行为。

  2)1553B通信模块

  仿真平台中1553B驱动模块分为初始化模块和读写操作模块。

  通过AIT公司提供的AIT Flight Simulyzer软件能采用图形化配置的方式生成AIT 1553B板卡的初始化文件,但是只存在调用该文件的LabVIEW函数接口。因此,1553B通信初始化模块采用LabVIEW生成VeriStand *.lvmodel类型模型文件的方式实现。

  在仿真模型中AIT 1553B板卡用来模拟多种箭上单机的接口,通信方式无规律,存在相应的C函数接口和LabVIEW函数接口。Custom Device的执行和仿真模型的执行是并行关系,不适合采用Custom Device实现1553B模块的读写功能。因此,对1553B模块的读写操作采用S函数[6]的方式实现。实现的功能有:1553B读数据功能、1553B写数据功能、16位CRC计算等。

  3)状态输出模块和秒脉冲输出模块

  状态输出模块和秒脉冲输出模块均采用PCI9054接口芯片,支持VISA[7]函数接口的调用,因此,采用S函数的方式实现。

  状态输出模块和秒脉冲输出模块为自研硬件模块,在操作这些模块之前,必须使这些硬件模块能被仿真平台识别。系统中使用NI-VISA Driver Wizard工具,根据设备的基本属性(PCI Device ID和Vector ID)生成*.inf文件,然后通过FTP下传到下位机,重启下位机后PharLap实时系统就能识别该硬件基本信息并分配硬件设备名称。

  状态输出模块和秒脉冲输出模块的初始化、读写操作均采用S函数的方式实现,通过VISA函数接口完成相应的功能操作。

2.2.2 动力学解算模块

  该模块中通过动力学方程解算出火箭的姿态和位置信息,然后根据姿态和位置信息转换成捷联惯组的输出并通过1553B的硬件通信接口发送给箭机。

2.2.3 编译环境

  仿真平台的S函数中调用了VISA库函数库和AIT 1553B驱动函数库,在VeriStand的makefile文件NIVeriStand_vc.tmf的LIBS中添加对两种函数库文件的包含,添加内容如下:

  LIBS = $(LIBS) XX\owl1553.lib

  LIBS = $(LIBS) XX\visa32.lib

  LIBS = $(LIBS)

3 仿真平台的验证

  基于VeriStand 的火箭制导系统的半实物仿真平台验证试验流程如图5所示。

  以某型火箭为例,该制导系统的半实物仿真平台验证试验步骤具体如下:

  1)在Simulink中搭建某型火箭的仿真模型,然后使用RTW工具根据VeriStand提供的TLC文件和修改的tmf文件自动生成代码,编译生成DLL文件。

  2)在AIT Flight Simulyzer软件中完成AIT板卡的配置文件的输出,通过FTP下传到下位机指定目录。通过LabVIEW编写1553B初始化程序,生成lvmodel文件。

  3)通过Custom Device Template Tool生成Custom Device模块,然后添加UDP接收和UDP发送功能,最后编译生成VeriStand引擎可执行的文件。

  4)将各个模块组件添加到VeriStand中,通过mapping的方式将各个组件的信号进行映射。同时,设置各个模块的执行顺序,执行顺序依次为:1553B初始化模型、UDP接收驱动、仿真模型、UDP发送驱动。

  5)将配置好的VeriStand应用程序下载到下位机运行,通过VeriStand工程的监控界面实现对仿真模型参数的实时显示和在线修改。

  按某型火箭搭建的制导系统半实物仿真验证平台的实物图如图6所示。该平台由动力学上位机和目标机组成。两者通过以太网连接。上位机运行Simulink、LabVIEW、VeriStand和Visual Studio 2008四种软件环境,进行火箭动力学模型及对应硬件驱动接口模型的编译、下载和硬件在环的监控管理。下位机为PharLap系统,运行VeriStand引擎,配置的IO功能板卡包括:1553B总线通信模块,秒脉宽输出模块,状态(继电器、0/10V等)输出模块。

  对比某型箭机半实物仿真试验结果可知,建立的基于VeriStand的制导系统半实物仿真平台能够较快的进行箭机的硬件在环仿真,试验真实、有效,提高了半实物仿真平台实时性和开发效率。

4 结论

  本文通过VeriStand、Simulink、PharLap组合的方式来构建实时仿真平台,并成功地应用于火箭制导系统半实物实时仿真系统中。试验结果证明仿真平台工作可靠,实时性能好,能够满足火箭制导系统半实物仿真的实时性要求。同时平台降低了仿真软件开发周期,增强了仿真软件设计的可靠性,实现了对仿真模型的过程监控和控制,对其它半实物仿真平台的设计有一定的参考和借鉴意义。

  参考文献:

  [1]顾胜,祝学军,杨华.基于1553B总线的运载火箭控制系统分析[J].导弹与航天运载技术,2005(3):9-12.

  [2]陈宜成,朱友忠.运载火箭控制系统通用仿真软件设计平台[J].计算机仿真,2005(5):46-55.

  [3]徐庚保,曾莲芝.勇攀世界科技高峰的中国仿真技术[J].计算机仿真,2004(4):5-9.

  [4]任广辰,闫长灿.箭载计算机在运载火箭中的功能研究[J].科技创新导报,2016(20):15-16.

  [5]王好端.混合动力控制器集成开发平台设计及应用[D].清华大学,2012.

  [6]陈怀民,寇云林,吴成富,等.基于VxWorks半物理仿真中S-函数驱动模块的开发[J].计算机测量与控制,2009(17):599-602.

  [7]鹿欣.基于LabVIEW的惯测组件实时测试系统研制[D].南京航空航天大学,2010.

  本文来源于《电子产品世界》2017年第9期第65页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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