嵌入式硬件在環(huán)UUV模擬器的設計及實現(xiàn)

黃 健

(昆明船舶設備研究試驗中心，云南 昆明 650051)

0 引言

無人水下航行器(Unmanned underwater vehicle，UUV)具有廣泛用途，例如海洋勘探、應急打撈、水下武器對抗等。我國對UUV的研究起步較晚，與世界先進水平還存在一定差距，大力發(fā)展UUV相關聯(lián)的關鍵技術已成為行業(yè)共識。

開展UUV真實航行試驗的成本及風險非常高。在研發(fā)、生產(chǎn)保障和培訓時，引入必要的仿真手段，可以節(jié)省研發(fā)費用、縮短研發(fā)周期、提高培訓效能。同時，充分且多樣性的仿真試驗也為產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性打下了堅實的基礎。仿真試驗在UUV產(chǎn)品的全生命周期都可以發(fā)揮作用。在方案論證及研發(fā)早期，主要采用純數(shù)字仿真；在研發(fā)后期、生產(chǎn)保障及訓練時，主要采用硬件在環(huán)(Hardware-in-the-loop，HIL)仿真。

在國外，HIL仿真技術比較成熟，支持HIL的通用商業(yè)軟硬件平臺包含dSPACE、RT-LAB、xPC等，其功能強大，但商業(yè)使用需要支付較高的費用。在國內(nèi)，西北工業(yè)大學、哈爾濱工程大學等研究院所，針對UUV的HIL仿真需求，也開展了相關研究[1-4]，建設有專門實驗室。國內(nèi)大多數(shù)UUV的HIL仿真平臺是針對某型或某類UUV(例如魚雷、水雷)建立起來的，主要特征是功能強大、相關的組部件齊全。但是其通用性、可配置性較差。事實上，國內(nèi)部分UUV相關的研發(fā)、生產(chǎn)、使用單位，并沒有建設齊備的HIL仿真實驗室。一方面是建造全套UUV HIL平臺的費用較高；另一方面，由于其可配置性較差，在某些場景中使用起來也不是特別方便。

文本給出了嵌入式HIL模擬器(以下簡稱模擬器)的解決方案，并給出了其軟硬件的詳細設計。

1 總體方案設計

1.1 需求分析

要解決“可配置性”問題，采用基于標準總線的控制架構是一種思路。同時，實時性問題也是模擬器必須考慮的。下面分別從接口需求、硬件需求的角度探討方案的可行性。

接口需求：CAN總線具有硬實時性和高可靠性的特點，在汽車、船舶、航空航天領域廣泛使用。CAN總線也是唯一成為國際標準的現(xiàn)場總線。本文選用CAN總線作為模擬器的對外接口。

硬件需求：模擬器需要完成UUV模型和干擾模型的數(shù)值計算，即需要核心MCU有一定的運算能力。隨著半導體技術的快速發(fā)展，滿足需求的MCU有很多，綜合考慮計算能力、通訊接口、可靠性、開發(fā)難度和使用習慣，本文選用Infineon公司的XMC4800F144K2048作為主控芯片。

1.2 工作原理及系統(tǒng)構成

模擬器內(nèi)嵌UUV非線性數(shù)學模型和線性數(shù)學模型。模型類型和模型參數(shù)通過外部設備設定。模擬器可工作于頻域分析模式、時域分析模式和HIL仿真工作模式。模擬器的系統(tǒng)構成框圖如圖1所示。

在頻域分析模式下，模型配置為線性模型，可以分析UUV在線性工作點處的開環(huán)頻域特性，其輸入信號為正弦信號(控制量，舵角)。

在時域分析模式下，模型配置為線性模型，分析UUV在線性工作點處的開環(huán)時域特性，其輸入信號為階躍或脈沖信號。

在HIL仿真模式下，需要配置物理效應模擬設備和參試硬件。物理效應模擬設備包含：姿態(tài)模擬裝置、深度模擬裝置、舵角負載模擬器。參試硬件一般包含：舵機(控制器)、控制器、深度傳感器和航姿系統(tǒng)(陀螺或慣導)。要求參試設備具有CAN總線接口。參與HIL模擬仿真設備的構成樹圖如圖2所示。

2 硬件設計

2.1 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)由主控芯片、主控芯片支持電路、外擴FLASH、復位/監(jiān)控電路、電源電路等組成。

最小系統(tǒng)的主控芯片為XMC4800F144K-2048。其主要性能特征：CPU核的最大主頻達到144 MHz；含有浮點運算單元；352 KB片上SRAM；2048 KB片上Flash；6路CAN接口，256個報文對象；1路USB2.0接口(集成PHY)；6路通用串口(支持ASC、SPI、IIC和LIN)；支持2路Ethernet。由于需要實時解算UUV數(shù)學模型和環(huán)境干擾模型，所以將芯片主頻配置到144 MHz，采用外部晶振，外部晶振的頻率為12 MHz。

主控芯片的支持電路主要由主控芯片外圍的濾波儲能電容組成。電路原理簡單，但需要注意元器件的布局和PCB布線，否則可能造成電磁兼容問題。

外擴FLASH用來存儲本地仿真過程數(shù)據(jù)，用于試后分析。外擴FLASH選用N25Q256A。其主要性能特征為：NOR Flash；SPI接口；雙轉(zhuǎn)換速率模式(108 MB/s和54 MB/s)；容量為32 MB。

復位/監(jiān)控電路主要用于監(jiān)控主控芯片的電源和主程序運行狀態(tài)。選用MAX706S，其主要性能特征為：2.93 V的監(jiān)控門限；200 ms復位時間延時；1.6 s看門狗超時門限。

電源電路主要是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。選用IFX1117MEV33，其主要特點為：具有短路、過溫保護功能；輸出電流1 A；精度達到2%。

2.2 接口電路設計

模擬器對外接口包含CAN接口和RS232接口。CAN接口用于模擬器與其它組部件互聯(lián)。RS232接口主要用于調(diào)試、模擬器內(nèi)測數(shù)據(jù)讀取等功能。

為了防止模擬器與外部互聯(lián)的其他組部件之間相互干擾。需要對CAN接口和RS232接口進行隔離設計。接口電路所設計的元器件為：TXB0104(電平轉(zhuǎn)換芯片)、D050505(通訊隔離電源)、TJA1040(CAN通訊接口芯片)、MAX3232(RS232通訊接口芯片)、HCPL0710(光耦隔離芯片)等。接口電路原理框圖如圖3所示。

3 軟件設計

從數(shù)據(jù)處理角度來看，模擬器的輸入數(shù)據(jù)主要為舵角和各種環(huán)境干擾信號，模擬器的數(shù)據(jù)輸出主要是UUV運動狀態(tài)(姿態(tài)、姿態(tài)角、深度和相對位置)。采用數(shù)據(jù)流圖可以較好地描述其工作流程。選用的開發(fā)環(huán)境為Keil uVision C166，選用的開發(fā)語言為C語言。

3.1 數(shù)據(jù)流圖和程序架構設計

模擬器的數(shù)據(jù)流圖和程序主體框圖如圖4所示。

UUV模擬器包含5種工作模式：參數(shù)設置模式、數(shù)據(jù)讀取模式、頻域分析模式、時域分析模式、HIL仿真模式。參數(shù)設置模式主要設置UUV模型參數(shù)、干擾參數(shù)、HIL參試設備等；數(shù)據(jù)讀取模式用于讀取內(nèi)測的仿真過程數(shù)據(jù)，用于試后分析；其它3種模式的用途見1.2節(jié)。

3.2 軟件算法

3.2.1 任務調(diào)度及任務優(yōu)先級設計

軟件采用嵌入式軟件常用的“后臺主程序+隨機中斷+定時中斷”的程序架構實現(xiàn)。任務調(diào)度采用“事件+時間”方式完成。后臺主程序為while死循環(huán)，在死循環(huán)中，根據(jù)任務標志執(zhí)行相關任務。定時中斷提供全局和局部的時間軸，是完成基于“時間”任務調(diào)度的基礎。隨機中斷包含CAN收發(fā)中斷、RS232收發(fā)中斷、看門狗中斷、掉電中斷、系統(tǒng)陷阱中斷。隨機中斷是完成基于“事件”任務調(diào)度的基礎。

任務調(diào)度中必須重視優(yōu)先級設計，優(yōu)先級設計如表1所示，數(shù)值越大，優(yōu)先級越高。

表1 任務優(yōu)先級

3.2.2 UUV模型及干擾模型選擇

UUV模型和干擾模型對模擬器HIL仿真性能有著重要影響。在不同的應用場景中，對模型的需求也不同。在驗證UUV運動控制性能時，對模型精度要求較高；但在驗證UUV工作流程、時序控制時，對模型精度要求較低。為了滿足不同需求，UUV模型選擇2種典型模型：非線性模型(精度較高)和線性模型(精度較低)。

模型的選擇標準需要在精度和可用性上進行折中。本文選擇如式(1)所示的非線性模型。該模型的假設條件為：小攻角、小側滑角和小機動運動；粘性力可用線性導數(shù)表示；運動參數(shù)的二階項可忽略。本文選擇如式(2)-(4)所示的線性模型。線性模型采用三通道(橫滾、俯仰/深度、偏航)完全解耦的數(shù)學模型，忽略了流體動力參數(shù)和運動參數(shù)的高階項。

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)-(4)中的符號定義與文獻[5]一致。

UUV在航行過程中會遇到浪、流、涌等干擾。本文選取恒值力(力矩)、一階高頻波浪力(力矩)、低頻正弦波浪力(力矩)模擬浪、流、涌等干擾。干擾以等效舵角的方式作用于UUV。具體表示為

(5)

式(5)中的y(t)表示一階高頻波浪力，可以利用四階成型濾波器模擬[6]，具體表示為

(6)

3.2.3 CAN應用層協(xié)議通信格式

CAN總線協(xié)議規(guī)范僅規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。應用層實現(xiàn)比較靈活，可以由用戶定義，也可以借用特殊領域定義好的協(xié)議，例如SAE J1939、CANopen、DeviceNet等。

為了保證模擬器的實時性和降低軟件實現(xiàn)復雜性，本文借鑒SAE J1939協(xié)議格式，設計專有CAN應用層協(xié)議，下面對ID編碼格式、數(shù)據(jù)域編碼格式和信息發(fā)送調(diào)度進行闡述。

本文采用CAN2.0B規(guī)范的29位標識符(仲裁域)擴展幀格式。ID編碼格式如表2所示。

表2 ID編碼格式

“優(yōu)先級”用于指示報文的優(yōu)先級別。優(yōu)先級定義為：0表示緊急事件；1表示專有節(jié)點命令及應答；2表示廣播命令及應答；3表示普通廣播；其它值無意義。

“信息類型”用于指示報文信息屬性。信息類型具體表示為：0表示緊急事件廣播；1表示緊急事件廣播命令應答；2表示專有節(jié)點命令；3表示專有節(jié)點命令應答；4表示普通廣播；5表示普通廣播應答；其余值無意義。

“存儲標志”主要用于指示報文是否需要存儲。主要應用場景：半實物系統(tǒng)中存在外掛的總線記錄設備時，指示存儲設備記錄當前幀數(shù)據(jù)。

“發(fā)送源地址”和“發(fā)送目的地址”用于指示報文發(fā)送和接收地址。

數(shù)據(jù)域格式定義如表3所示，數(shù)據(jù)域為8字長。

表3 數(shù)據(jù)域編碼格式

表3中，“信息編號+附加說明”用于對信息種類進行分類，信息編號對大類信息進行分類，附加說明對分類后的信息進行進一步細分。

為了保證整個系統(tǒng)實時性，除了對ID(數(shù)據(jù)鏈路層的仲裁依據(jù))進行精心設計外，發(fā)送節(jié)點需要根據(jù)實際應用場景，設計合適的發(fā)送時序。模擬器采用廣播命令的方式，周期性向外廣播UUV運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。模擬器可以被配置為10 ms、50 ms、100 ms廣播1組運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。

4 仿真試驗

為了驗證模擬器的基本功能，以文獻[7]給出的某型航行體為被控對象，對其航向控制通道進行了硬件在環(huán)仿真試驗。

參試設備：模擬器、控制器、航姿系統(tǒng)、舵機、舵機負載模擬器、姿態(tài)模擬裝置(三軸轉(zhuǎn)臺)、PC機等。

模型選?。?0 kn速度航行時的航向姿態(tài)運動線性數(shù)學模型為[8]

(7)

式(7)中的符號含義與文獻[7]一致。式(7)為連續(xù)系統(tǒng)，為了便于數(shù)字實現(xiàn)，需要將式(7)離散化?？紤]實際需求和MCU運算負擔，采用一階歐拉離散方法對式(7)進行離散化。

仿真參數(shù)設置：仿真時長為20 s；航向初始值為0°；目標值為10°。

為了便于分析，針對航向控制，做了純數(shù)值仿真和HIL仿真對比試驗。試驗結果如圖5所示。由圖5可知，純數(shù)值仿真與HIL仿真的試驗結果有一定差異。純數(shù)值仿真幾乎無超調(diào)，HIL仿真有一定超調(diào)。純數(shù)值仿真與HIL仿真的靜態(tài)誤差均較小，小于2%。

由于HIL引入了真實的執(zhí)行機構和傳感器，比較符合真實情況。所以，UUV在實航前，應微調(diào)由理論計算出的控制器參數(shù)。同時加強邏輯安全警戒，以確保航行安全。

5 結束語

本文介紹了基于XMC4800的嵌入式硬件在環(huán)UUV運動控制模擬器的總體方案、硬件設計、數(shù)據(jù)流圖和主要的軟件算法。該模擬器在不同的應用場景下，通過配置相應的參數(shù)，可以完成不同層次的硬件在環(huán)仿真，為UUV設計、生產(chǎn)和使用提供了有效的保障手段。