基于VeriStand的制導系統(tǒng)半實物仿真平臺的研究

范勇+劉罌+李釗

摘要：為保證制導系統(tǒng)半實物仿真的實時性和準確性，縮短開發(fā)周期，本文基于VeriStand、Simulink和PharLap組合方式構建實時仿真平臺。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，達到快速仿真設計、降低開發(fā)周期、弱化人為影響的目的、，制導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。

關鍵詞：VeriStand；制導系統(tǒng)；半實物仿真；Simulink建模

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.015

引言

運載火箭控制系統(tǒng)的主要功能是制導、姿態(tài)控制和指令控制等[1]。制導的任務是對火箭質心的運動參數(shù)進行實時敏感測量、計算和控制。當火箭的運動參數(shù)達到要求值時，關閉發(fā)動機，使火箭按設計的軌道飛行…。半實物仿真試驗技術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能夠考核箭載計算機飛行軟件和制導系統(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]，仿真軟件的質量直接影響半實物仿真試驗結果的精度和可靠性?；鸺刂葡到y(tǒng)具有高速實時的特點，在箭載計算機中，數(shù)據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。

為了在線管理和控制仿真試驗，保證火箭制導系統(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Simu卟k、LabVIEW、MapleSim. FORTRAN/C/C++等。用戶通過它能夠實時編輯用戶界面、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上位機和動力學實時仿真機組成。

上位機為普通PC機。

實時仿真機硬件由Nl機箱PXI-1042Q、零槽控制器PXI-8110以及實現(xiàn)相關功能的10板卡組成。10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、O/10V等）輸出模塊。平臺硬件結構框圖如

1553B通信模塊采用AIT的PXI-15538 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品，結構上采用子母板結合的方式，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)據進行保存。母板的主體為PC19054，通過CPCI總線，負責FPGA的數(shù)據與零槽控制器的數(shù)據進行交換。板卡功能結構框圖如圖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 Studi0 2008四種軟件環(huán)境，下位機為PharLap系統(tǒng)，運行VeriStand引擎，兩者通過以太網連接。

在上位機完成仿真軟件的設計后，通過VeriSta nd軟件的配置和控制，將仿真軟件下載到下位機中并在VeriSta nd引擎框架中執(zhí)行：同時通過VeriStand對動力學仿真軟件參數(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 平臺的設計

仿真平臺中仿真模型由驅動接口模塊和動力學仿真模型模塊組成，其中驅動接口模塊包含UDP接口模塊、UDP發(fā)送模塊、1553B總線驅動模塊、狀態(tài)卡驅動模塊、秒脈沖卡驅動模塊。仿真模型的結構框圖如圖4所示。

2.2.1驅動接口設計

基于VeriStand可以采用多種方式開發(fā)驅動模塊。由于Simulink工具包不包含支持PharLap實時系統(tǒng)的硬件驅動模塊庫，在仿真平臺中需要根據實際使用環(huán)境來開發(fā)驅動接口模塊。

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，然后再在周期結束時將動力學遙測發(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CustomDevice工程，工程中主要包含3個VI。Initialization VI完成Custom Device驅動程序被添加到VeriStand時的功能。Main Page完成Custom Device驅動程序被添加到VeriStand后配置Custom Device的功能，比如UDP通信中的IP、端口號設置等。RT Driver Vl定義了CustomDevice驅動被下載到下位機運行的執(zhí)行行為。endprint

2） 15538通信模塊

仿真平臺中15538驅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，但是只存在調用該文件的LabVIEW函數(shù)接口。因此，15538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 15538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)行是并行關系，不適合采用Custom Device實現(xiàn)15538模塊的讀寫功能。因此，對15538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：15538讀數(shù)據功能、15538寫數(shù)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PC19054接口芯片，支持VISA[7）函數(shù)接口的調用，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，根據設備的基本屬性（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Pha rLap實時系統(tǒng)就能識別該硬件基本信息并分配硬件設備名稱。

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)接口完成相應的功能操作。

2.2.2 動力學解算模塊

該模塊中通過動力學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15538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)中調用了VISA庫函數(shù)庫和AIT1553B驅動函數(shù)庫，在VeriStand的make創(chuàng)e文件NIVeriStand_vc.tmf的LIBS中添加對兩種函數(shù)庫文件的包含，添加內容如下：

LIBS= $（LIBS） XX＼owll 553.lib

LIBS=$（LIBS） XX＼visa32.lib

LIBS= $（LIBS）

3 仿真平臺的驗證

基于VeriStand的火箭制導系統(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VeriStand提供的TLC文件和修改的tm墳件自動生成代碼，編譯生成DLL文件。

2）在AIT閉ght 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15538初始化程序，生成lvmodel文件。

3） 通過Custom Device Tem plate 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接收驅動、仿真模型、UDP發(fā)送驅動。

5）將配置好的VeriStand應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。該平臺由動力學上位機和目標機組成。兩者通過以太網連接。上位機運行Simu，ink、LabVIEW、VeriStand和Ⅵsual Studi0 2008四種軟件環(huán)境，進行火箭動力學模型及對應硬件驅動接口模型的編譯、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10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、O/10V等）輸出模塊。

對比某型箭機半實物仿真試驗結果可知，建立的基于VeriStand的制導系統(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 結論

本文通過VeriStand、Simulink、PharLap組合的方式來構建實時仿真平臺，并成功地應用于火箭制導系統(tǒng)半實物實時仿真系統(tǒng)中。試驗結果證明仿真平臺工作可靠，實時性能好，能夠滿足火箭制導系統(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計有一定的參考和借鑒意義。

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