基于嵌入式系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實技術的制導律仿真平臺設計與實現(xiàn)*

王 欣,郭 鑫,劉 旭

(沈陽理工大學裝備工程學院,沈陽 110159)

0 引言

制導律的設計是導彈制導與控制系統(tǒng)設計中的重要組成部分,其性能的優(yōu)劣直接決定著導彈的制導精度。而制導律仿真是針對設計出來的制導律進行相關特性的驗證[1]。

工程實踐中的制導與控制系統(tǒng)都是采用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)包含了嵌入式軟件和嵌入式硬件兩層概念[2]。虛擬現(xiàn)實技術是仿真技術和計算機圖形學最新成果的結合?？梢詫崿F(xiàn)飛行模擬、虛擬現(xiàn)實等,為人們創(chuàng)建一種逼真、實時的虛擬三維世界,近年來在人機交互技術中具有良好的前景[3]。

文中從導彈制導系統(tǒng)的工程實踐出發(fā),有機結合嵌入式系統(tǒng)技術和虛擬現(xiàn)實技術,設計了一種虛擬的導彈制導過程的仿真平臺。該仿真平臺中的制導律采用嵌入式系統(tǒng)平臺進行設計和解算,三維虛擬視景仿真界面在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺上設計完成,兩個系統(tǒng)平臺之間采用串口協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。其中,嵌入式系統(tǒng)平臺采用VxWorks5.5和MPC8247的軟硬件組合設計,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺采用MultiGen Creator和Vega Prime進行三維虛擬視景仿真設計。因此在嵌入式系統(tǒng)平臺上就可以根據(jù)實際情況設計實現(xiàn)不同的制導律,而虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺就可以通過串口接收制導律的數(shù)據(jù),進而在通用計算機的顯示器上顯示出虛擬的導彈制導過程。有利于直觀的驗證導彈制導律設計的正確性。

1 仿真平臺框架結構

根據(jù)使用者自身的角度和行業(yè)特點的需求,實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術的軟件發(fā)展了很多種,如virtools、Vega prime、OpenGL、GLStudio、OSG等。其中在目前軍事環(huán)境仿真中,由Multigen-Paradigm公司開發(fā)的Creator和Vega軟件組合應用較多,Creator用來實現(xiàn)三維場景的建模,Vega則實現(xiàn)三維場景模型的實時渲染,從而動態(tài)實現(xiàn)虛擬場景。

相關資料顯示,在國內對導彈或飛行器的制導仿真系統(tǒng)主要通過API編程方式,在Vega軟件內部實現(xiàn)。但在工程實踐中,導彈制導與控制系統(tǒng)主要的核心是彈載計算機,而彈載計算機系統(tǒng)使用的嵌入式系統(tǒng),則在通用計算機上實現(xiàn)導彈制導過程仿真是存在一定的兼容問題。針對這個問題,文中首先在嵌入式系統(tǒng)平臺上完成對制導系統(tǒng)實現(xiàn),然后采用虛擬實現(xiàn)技術在通用計算機平臺上顯示虛擬三維動畫。

圖1 仿真平臺結構圖

圖2 MPC8247內部模塊結構圖

圖1是文中整個仿真平臺的框架結構示意圖,左側紅色虛框為嵌入式系統(tǒng)平臺,嵌入式硬件應用MPC8247處理器,嵌入式操作系統(tǒng)為VxWorks5.5操作系統(tǒng)。該平臺主要實現(xiàn)制導律的設計與解算,并把解算結果(指令加速度)通過串口方式傳輸給右側紅色虛框的虛擬實現(xiàn)系統(tǒng)平臺。文中虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺通過Creator和Vega Prime開發(fā)設計,實現(xiàn)三維視景環(huán)境,主要實現(xiàn)對導彈制導過程及戰(zhàn)場環(huán)境的虛擬三維顯示,完成嵌入式系統(tǒng)平臺傳輸?shù)闹茖?并把其參數(shù)輸送給導彈模型,驅動導彈沿著預期的軌跡,從而實現(xiàn)精確攻擊目標。

2 嵌入式系統(tǒng)平臺設計

2.1 硬件平臺

目前嵌入式硬件平臺已經發(fā)展了很多種,根據(jù)內核不同可以分為不同的平臺,如ARM、PowerPC、MIPS等。考慮到軍工背景,文中采用型號為飛思卡爾MPC8247處理芯片的PowerPC處理器,其主頻高達400 MHz,具有低功耗,高可靠性,因此被廣泛應用于大型操作系統(tǒng)。

圖2為PowerPC處理器的MPC8247處理芯片內部模塊結構圖,其主要由PowerPC核、SIU(系統(tǒng)接口單元)、CPM(通信處理模塊)組成。文中PowerPC核采用603e核,由緩存和存儲器管理單元MMU組成;SIU主要實現(xiàn)內部總線和外部總線的連接;CPM主要是在不同的通信設備上實現(xiàn)發(fā)送、接收數(shù)據(jù),結構設計可以滿足所有通信設備獨立工作。

MPC8247處理芯片具有兩種啟動方式,一種方式為在EEPROM(帶電可擦寫可編程讀寫存儲器)內啟動Bootrom(無盤啟動ROM接口),然后應用Bootrom從網絡下載開發(fā)板需要的內核和應用程序。另一種方式為在NorFlash中直接啟動,啟動過程:VxWorks系統(tǒng)鏡像首先下載并存儲在NorFlash的0xFFF00000處,當系統(tǒng)通電后,CPU馬上讀取NorFlash的0xFFF00000處VxWorks系統(tǒng)鏡像,初始化系統(tǒng)硬件,并啟動MPC8247內核,最后啟動相應的程。

圖3給出了MPC8247開發(fā)板的外設架構圖。

圖3 MPC8247開發(fā)板結構框圖

MPC8247處理芯片因為不含NandFlash控制器,文中應用NandFlash控制器不需要存儲很大數(shù)據(jù),而是用于數(shù)學程序的運算,所以系統(tǒng)采用2片8M的NorFlash已滿足嵌入系統(tǒng)平臺的運算空間。串口1負責調試VxWorks操作系統(tǒng),串口2負責與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺下的通用計算機進行數(shù)據(jù)通信。

2.2 VxWorks操作系統(tǒng)

文中基于研究背景,嵌入式系統(tǒng)平臺的操作系統(tǒng)選用美國Wind River System公司的VxWorks實時操作系統(tǒng)[4-5]。VxWorks是一款非開源操作系統(tǒng),它在開發(fā)程序過程中,采用Tornado2.2進行集成開發(fā)環(huán)境來編譯程序,在這個過程中,Tornado同時會結合系統(tǒng)內核和程序,產生可以由CPU識別的VxWorks_rom.bin二進制文件。圖4為MPC8247在Tornado2.2下編譯生成bin文件過程,在project文件夾中可以得到最終生成開發(fā)板可以運行的二進制文件。

圖4 Tornado開發(fā)環(huán)境和BSP編譯

圖5為VxWorks在MPC8247下的啟動界面,從啟動界面可以得到CPU型號、BSP版本信息、調試時間等相關信息。

2.3 VxWorks下的任務機制

制導律算法的仿真通常采用Matlab軟件編程實現(xiàn),但在嵌入式系統(tǒng)只能通過C語言編程完成功能。在VxWorks操作系統(tǒng)使用C或C++語言實現(xiàn),執(zhí)行的最小單元是task(任務)。系統(tǒng)應用程序接口都存儲在usrAppInit.c文件中usrAppInit()函數(shù)里,即全部運行的應用程序在usrAppInit()開始,也會在這里結束運行。每個應用程序都是由一或幾個task組成,實現(xiàn)功能,其中每個task都通過一個函數(shù)接口來實現(xiàn)usrAppInit.c中的usrAppInit()的調用。

void Main (void)

{

taskSpawn(″tMain″,105,0,0xF000,Input_Main,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);

}

如上段為建立一個Main (void)任務的代碼,代碼中105為Main (void)任務的優(yōu)先級,該參數(shù)建議設置范圍為大于100,代碼0xF000表示任務所需要?？臻g內存,Input_Main主要實現(xiàn)這個任務的邏輯,也是任務調用的函數(shù)入口?！?,0,0,0,0,0,0,0,0,0”表示該任務所需要的參數(shù)(最大為10),默認為零。

圖5 VxWorks啟動界面

2.4 制導律的解算和串口通信

文中中需仿真的制導律為帶落角約束的變結構末制導律。為簡化導彈制導過程,導彈、目標和控制站運動為質點運動,且其運動始終在同一平面內,如圖6所示,導彈和目標相對運動可以分解為偏航平面分量、俯仰平面分量。

圖6 導彈與目標相對運動關系

導彈與目標相對運動分析基于假設和前提:導彈、目標和控制站運動為質點運動,導彈和目標速度為已知常量,控制、制導系統(tǒng)工作是理想的,彈速大于目標速度,且攻角很小,所以可得出俯仰平面內的彈目運動方程:

(1)

引入落角約束:

(2)

式中γf為落點的期望速度傾角。

為了有效解決式(2)中的變結構問題,引入了滑模面切換函數(shù)和趨近律系數(shù),如式(3)所示。

(3)

整理式(1)～式(3),最終可以化簡得到帶落角約束的變結構末制導律表達式:

(4)

文中設計嵌入式系統(tǒng)平臺的最終目的就是在VxWorks操作系統(tǒng)下編程實現(xiàn)解算式(4),然后將式(4)中的數(shù)據(jù)通過串口任務傳遞給虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺進行數(shù)據(jù)處理。所以，在VxWorks下面主要有兩個任務,一個是Guidance任務,另一個是Serial任務。具體代碼如下所示。

void Guidance (void)

{

taskSpawn(″tGuidance″,105,0,0xF000,

Guidance_Main,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);

}

void Serial (void)

{

taskSpawn(″tSerial″,110,0,0x4000,

Serial_Main,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);

}

VxWorks操作系統(tǒng)下的系統(tǒng)編程符合C語言編程規(guī)則,所以只需要控制好這兩個任務間的數(shù)據(jù)共享,以及每個任務的棧空間大小,就可以完成制導律的解算和數(shù)據(jù)通信工作。

3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺設計

3.1 Multigen Creator模型建立

實現(xiàn)三維視景首先要建立三維模型,模型的建立決定著整個三維視景仿真的效果?？紤]到研究基于軍工背景,文中使用了在三維視景仿真中廣泛應用的三維模型建立軟件Multigen Creator[6]。該模型建立軟件的獨創(chuàng)性是使用層次化數(shù)據(jù)結構技術對三維虛擬場景實現(xiàn)。傳統(tǒng)三維模型建立軟件的數(shù)據(jù)結構,很難實現(xiàn)對局部進行修改調整,文中層次化數(shù)據(jù)結構為OpenFight數(shù)據(jù)結構,采用了節(jié)點式的數(shù)據(jù)分層結構,可以實現(xiàn)對每個小模塊迅速調整,建立效果更佳的三維模型。

3.2 Vega Prime軟件系統(tǒng)

Vega Prime是Multigen Paradigm公司推出的一種虛擬現(xiàn)實實時開發(fā)工具,具有強大的功能,高度的易用性、兼容性,在樓宇視景、城市仿真、航天航空及軍工等不同領域得到廣泛的應用[7]。Vega Prime軟件系統(tǒng)最底層是具有很好軟硬件兼容性的OpenGL圖形開發(fā)庫,在OpenGL上為VSG(Vega Scene Graph)模塊,它為高級三維開發(fā)提供了最佳平臺,是Vega Prime實現(xiàn)的基礎。如圖7 Vega Prime軟件結構可看作Vega Prime封裝了底層OpenGL,這種設計結構可以使開發(fā)人員通過Vega Prime模塊,實現(xiàn)對OpenGL的操作[8-10]。

圖7 Vega Prime軟件結構

Vega Prime為用戶提供一個簡單明了的開發(fā)界面,提供了一種可擴展的跨平臺的LynX Prime圖形用戶界面配置工具。Vega Prime為開發(fā)人員使用C++語言編程實現(xiàn)復雜的功能,提供了基于C++面向對象的Vega Prime庫。

3.3 基于MFC的Vega Prime軟件設計

文中設計就是采用Visual Studio2005中MFC的文檔視圖架構來編程實現(xiàn)復雜算法。其中,在該架構下將Lynx Prime設計的三維模型底層框架作為一個線程在MFC中運行,同時創(chuàng)建一個Serial線程來接收嵌入式系統(tǒng)平臺解算好的制導律,然后再通過這個Serial線程的數(shù)據(jù)來驅動三維模型運動起來。圖8為基于MFC下的Vega Prime程序結構流程圖。

圖8 基于MFC的Vega Prime結構流程圖

下面幾行代碼就是當點擊仿真開始按鈕后產生的消息響應函數(shù)。其中Guidance.acf文件作為一個實例被Vega Prime的內核程序調用,進而將在Lynx Prime中設計好的三維模型導入到MFC中,然后配置窗口相關參數(shù),最后啟動窗口。

void CGuidanceView::OnStartSim()

{

∥TODO:在此添加命令處理程序代碼

vp::initialize(__argc,__argv);

vpKernel::instance()->define(″Guidance.acf″);

vpKernel::instance()->configure();

vpWindow *vpWin=*vpWindow::begin();

vpWin->setParent(this->GetSafeHwnd());

vpWin->setBorderEnable(false);

vpWin->setFullScreenEnable(true);

vpKernel::instance()->beginFrame();

vpKernel::instance()->endFrame();

const int TIMER_ID=1;

SetTimer(TIMER_ID,0,NULL);

∥響應鍵盤:

::SetFocus(vpWin->getWindow());

m_bStarted=TRUE;

}

Serial線程主要是接收嵌入式系統(tǒng)解算得到的制導律,采用串口協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信,類似于傳統(tǒng)的上位機與下位機通信,這里就不做介紹。

4 仿真與分析

文中根據(jù)資料建立以下數(shù)學模型:某武裝直升飛機在高度2 000 m處發(fā)現(xiàn)前方地面裝甲目標,要求發(fā)射空地導彈精確摧毀目標。模型假設目標初始速度為VT=0 m/s,導彈相對目標的速度為VM=300 m/s,導彈初始位置與目標初始位置的水平距離為1 000 m,且末端落角約束為-70°。

在2.4小節(jié)中嵌入式系統(tǒng)平臺下實現(xiàn)帶落角約束的滑模變結構制導律實現(xiàn)了在擊中目標的同時,保證落角要求。圖9是通過Matlab軟件仿真得到的彈道曲線,從圖中可以看出彈道曲線較為平滑,能夠按照算法要求命中目標。

圖9 數(shù)值仿真的彈道軌跡

圖10展現(xiàn)了基于MFC的Vega Prime的制導律仿真平臺界面。文中仿真程序都是基于MFC的文檔視圖架構,在默認架構的菜單欄中設計兩個新項目,一個為仿真程序開始和結束控制按鈕。另一個為串口配置按鈕。新增的串口配置按鈕設置是基于MPC8247底層參數(shù)實現(xiàn)的。在該設計的編程架構中,嵌入式系統(tǒng)平臺要實現(xiàn)的彈道模型可通過與Vega Prime的程序進行無縫連接,達到實現(xiàn)導彈制導律的三維虛擬仿真。

圖10 基于MFC的Vega Prime程序界面

當武裝直升機發(fā)現(xiàn)地面目標,并發(fā)射了空地導彈時,圖11中展示了導彈按照嵌入式系統(tǒng)平臺計算出來的彈道軌跡在空中飛行,可以通過對比圖10發(fā)現(xiàn),新型仿真平臺下的初段彈道軌跡和Matlab仿真的彈道軌跡十分接近。

圖11 導彈在空中飛行

圖12中導彈精準命中目標,在下方的計算機終端可以清楚看到目標被擊中的瞬間情形,同時,將該圖與圖10中的彈道軌跡進行比較可以看出,該仿真平臺得到的彈道軌跡與Matlab平臺仿真結果基本相同,且仿真畫面更為直觀。

圖12 導彈精準命中目標

圖13為三維虛擬仿真平臺的實物圖展示,計算機平臺左側為嵌入式系統(tǒng)平臺MPC8247開發(fā)板,當開發(fā)板上紅燈亮時說明該平臺處于正常工作狀態(tài)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺在計算機平臺搭建實現(xiàn),顯示器上為整個仿真界面。計算機平臺與開發(fā)板之間通過串口協(xié)議通信,文中仿真采用的USB轉串口完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖13 仿真平臺實物

5 結論

文中設計了一種新型制導律仿真平臺。該仿真平臺結合嵌入式系統(tǒng)平臺和虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)了對三維虛擬視景仿真界面設計。仿真結果表明,該制導律仿真平臺非常直觀地展示了空地導彈末端制導過程,更好地制導導彈的運行軌跡。其主要結論如下:

1)首先確保嵌入式系統(tǒng)平臺能正常工作,即MPC8247硬件、VxWorks5.5的BSP順利運行,這是仿真平臺的基礎。

2)為緩解嵌入式系統(tǒng)下程序的調試工作,文中使用VS2005軟件對C語言實現(xiàn)的算法進行驗證看其是否正確,調試成功后將其移植到嵌入式系統(tǒng)中。

3)保證嵌入式系統(tǒng)平臺與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺通過串口協(xié)議通信能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸正確、順暢。

4)文中MFC中設計兩個新項目,即在MFC中增加了Vega Prime工作線程,因此Vega Prime工作線程和串口通信線程之間的沖突需要處理好。

該平臺通過嵌入式系統(tǒng)設計模擬了真實的彈載計算機實現(xiàn)了制導律的整個工作過程,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺的視景仿真系統(tǒng)直觀地展現(xiàn)了導彈的制導過程,由此分析彈道的設計是否合理。給制導律的設計提供更為簡單明了的實驗依據(jù),從而縮短研究周期,節(jié)約研發(fā)成本。