無人飛行器通用半實物仿真平臺設(shè)計

摘 要：半實物仿真試驗能夠驗證導航/制導/控制系統(tǒng)設(shè)計的正確性，考核性能參數(shù)，檢驗飛控系統(tǒng)軟、硬件的協(xié)調(diào)性，是飛行器研制過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)。半實物仿真系統(tǒng)應能服務于各類飛行器，即通用性是其關(guān)鍵評價標準之一。鑒于此，結(jié)合飛控系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)階段不同需求進行仿真系統(tǒng)通用性研究，提出了一種通用仿真機設(shè)計方法，并開發(fā)了一套仿真主控軟件。通過將飛控計算機、慣導組件、舵機等實物和轉(zhuǎn)臺、負載臺等環(huán)境模擬設(shè)備集成到仿真機軟、硬件的通用仿真平臺內(nèi)，最終在某型靶標飛行器半實物仿真過程中得到了應用。

關(guān)鍵詞：飛行器；半實物仿真；通用性；實時網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：V19" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0050-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.012

0" " 引言

硬件在環(huán)仿真（Hardware-in-the-loop Simulation，HILS）[1]即半實物仿真，是利用數(shù)學模型替代一部分真實設(shè)備及元器件，并與其他物理實物連接組成回路的一種實時仿真，能夠避免一些實物建模困難或模型不精確帶來的問題。半實物仿真能驗證飛行控制軟件可靠性以及控制系統(tǒng)軟、硬件的協(xié)調(diào)性和匹配程度，對飛行器控制系統(tǒng)研究具有重要意義[2]。從研制周期及成本方面考慮，半實物仿真系統(tǒng)都被期待能夠具有通用性和擴展性。

在工程中，數(shù)字仿真和半實物仿真貫穿于飛行器研制的整個生命周期，但他們都有各自的局限性：數(shù)字仿真可以檢驗控制算法的正確性，但不能驗證控制系統(tǒng)的資源、時序和邏輯；半實物仿真雖能驗證飛行控制軟件可靠性以及控制系統(tǒng)軟、硬件的匹配程度，但需要全部參試組件（慣導組件、彈載計算機、舵機、導引頭）聯(lián)網(wǎng)進行仿真[3]，可用于總體單位的出廠測試驗收，但不適用于單獨的飛控計算機在環(huán)仿真測試，對于機、彈載配套單位使用不方便。

因此，本文主要研究如何提高半實物仿真系統(tǒng)的通用性，實現(xiàn)全數(shù)字實時仿真到所有硬件在環(huán)仿真的無縫銜接：設(shè)計上/下位機結(jié)構(gòu)的通用仿真計算機，通過飛行器模型的快速移植以及參試組件、轉(zhuǎn)臺、負載臺等設(shè)備的快速集成，建立仿真能力；并設(shè)計界面友好、功能全面的仿真控制軟件，支持飛行器半實物仿真的多模式運行。

1" " 通用仿真機設(shè)計

1.1" " 通用仿真機設(shè)計思想

本節(jié)的研究對象通用仿真機面向無人飛行器仿真測試，其設(shè)計思想和技術(shù)實現(xiàn)手段主要源于快速控制原型技術(shù)[4]，能夠?qū)a(chǎn)品研制不同階段使用到的全數(shù)字仿真、快速控制原型仿真、半實物仿真技術(shù)統(tǒng)合在一個平臺內(nèi)，通過在Simulink模型內(nèi)置選擇想要使能的模塊，實現(xiàn)不同仿真模式的無縫切換。全數(shù)字、快速原型與半實物仿真一體化思想原理如圖1所示。

下面從模型下載過程分別對圖1中三種仿真模式進行介紹。

1）全數(shù)字仿真（Digital Simulation）：將飛行器六自由度模型[5]、執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學模型（舵機等）、傳感器數(shù)學模型（慣性測量組件）與制導/控制系統(tǒng)數(shù)學模型全部下載到仿真計算機中實時運行，接受上位機任務管理及模型調(diào)度。不涉及實際系統(tǒng)的任何部件。負責六自由度彈道仿真、彈體及控制回路特性分析以及數(shù)字打靶統(tǒng)計的任務。

2）快速控制原型（RCP）：在飛控計算機設(shè)計初期，將控制律算法下載到飛控快速原型機中，六自由度、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器的數(shù)學模型仍然下載到仿真計算機中實時運行。飛控快速原型機可以是一個包含真實飛控計算機主要硬件環(huán)境類似于開發(fā)板的模擬控制器，通過實際I/O接口與仿真機連接?？刂坡砷_發(fā)是一個迭代過程，通過仿真軟件自動生成的可執(zhí)行代碼可快速驗證，反復修改，效率高。國外很多公司已經(jīng)開始基于Simulink生成代碼進行控制器設(shè)計，如美國特斯拉電動汽車等。

3）飛控系統(tǒng)半實物（HIL）仿真：飛控系統(tǒng)設(shè)計人員對其設(shè)計的控制算法編寫代碼，再將成熟的ANSI C代碼導入制導組合體，只將六自由度模型下載到仿真計算機中實時運行，并通過IO控制計算機采集導引頭、轉(zhuǎn)臺、組合體、舵機等物理設(shè)備的輸入信號，送入實時網(wǎng)絡(luò)，代替相應的數(shù)字仿真模型，進行分系統(tǒng)仿真。

1.2" " 分布式仿真設(shè)計

由于半實物系統(tǒng)最重要的用途就是提供實時仿真環(huán)境，所以對實時性的要求非常高。仿真計算機作為執(zhí)行實時運算任務的單元，運行QNX、Vxworks等實時操作系統(tǒng)。模型編譯下載完成后，還需要一臺任務管理計算機與實時仿真機相連接，完成模型管理、數(shù)據(jù)顯示存儲等操作，實現(xiàn)對仿真機的控制。

因此，針對這樣的要求，通用仿真機的設(shè)計可以采用上下位機的仿真架構(gòu)（圖2），包括主控計算機（仿真上位機）和實時目標機（仿真下位機）。

由圖2可以看出，根據(jù)仿真任務對實時性要求的不同，將需要實時解算、實時采集以及實時通信的任務放在下位機實時操作系統(tǒng)中運行；仿真開始時，上位機中的飛行器模型及硬件接口程序經(jīng)仿真軟件聯(lián)合編譯后，生成的實時代碼分別被下載到下位機的硬盤中供處理器運算和硬件板卡調(diào)用；飛行器模型在實時操作系統(tǒng)中運行，完成實時解算任務，而硬件接口程序用來驅(qū)動下位機硬件資源，通過與飛控計算機、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器等彈上組件連接，完成光纖通信、數(shù)據(jù)采集和交互等實時任務[6]。

仿真上位機運行Windows操作系統(tǒng)，完成對仿真過程的調(diào)度、控制和監(jiān)測等非實時任務，并運行滿足上述要求的仿真軟件；同時，在上位機中完成的工作還應包括仿真環(huán)境中數(shù)學模型的搭建以及硬件接口程序的編寫及封裝。

上位機在半實物仿真運行時，還作為控制終端以及VMIC網(wǎng)絡(luò)的服務器，將姿態(tài)模擬器、負載模擬器、衛(wèi)星模擬器、數(shù)據(jù)記錄計算機和參試組件等設(shè)備集成在一個統(tǒng)一的閉環(huán)仿真環(huán)境當中，對整個仿真過程加以調(diào)度和控制，并通過光纖實時網(wǎng)絡(luò)進行通信。這樣就在上、下位機的設(shè)計基礎(chǔ)之上形成了一套完整的分布式仿真架構(gòu)。

1.3" " 代碼生成工具

半實物仿真考慮到系統(tǒng)的通用性及擴展性，通常采用的是各類通用計算機平臺，并有成熟的商用軟件模塊支撐，如RT-LAB、dSPASE等。

本文以專業(yè)仿真軟件作為前端建模工具，采用上、下位機的分布式架構(gòu)，提供數(shù)學模型的目標代碼生成、下載等功能，具體系統(tǒng)運行過程如下：

在仿真軟件環(huán)境下，通過RTW工具對C語言和圖形化語言共同搭建的半實物仿真模型進行編譯，形成相應的.sim和.x86文件，即完成了從半實物模型到實時代碼的轉(zhuǎn)化。

完成編譯后將.x86文件下載到仿真目標機中，在QNX實時操作系統(tǒng)內(nèi)運行。下位機的RTOS系統(tǒng)內(nèi)核將模型代碼自動分塊，飛行器模型在其內(nèi)部實時解算，硬件接口程序通過總線驅(qū)動數(shù)據(jù)I/O模塊與被控單元交換數(shù)據(jù)。

1.4" " 上位機主控軟件設(shè)計

仿真主控程序采用QT開發(fā)虛擬儀器界面，將模型的加載和修改、參數(shù)調(diào)整、模式選擇、過程控制、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置等功能整合在一個仿真環(huán)境中，并實現(xiàn)基于曲線繪制的動態(tài)特性分析。軟件通過解析代碼生成工具編譯好的.sim目標文件，提取模型中的參數(shù)和信號，并根據(jù)上、下位機通信協(xié)議完成對下位機實時運行模型的調(diào)度和控制。

2" " 硬件接口設(shè)計

為實現(xiàn)模型與實物組件的連接，需要根據(jù)被仿真對象的接口，選用相應的硬件板卡，同時要能夠被仿真軟件調(diào)用。這包括彈上電信號調(diào)理和模型環(huán)境中調(diào)用板卡驅(qū)動的設(shè)計。

2.1" " 基于Simulink的硬件接口設(shè)計

在半實物仿真中，由于Simulink缺少數(shù)學模型與外部實物連接的接口模塊，例如發(fā)控時序，總線數(shù)據(jù)打包、解包等，通過編寫S-Function封裝形式的硬件接口相關(guān)代碼，調(diào)用硬件驅(qū)動，可以為仿真模型增加實物接口。

S-Function是仿真軟件中用M、C、C++或Fortran等語言編寫的仿真模塊，通過S-Function提供的API函數(shù)可以靈活地編寫大量算法，提高模型庫的擴展性。一個完整的S-Function包含輸入?yún)?shù)——輸入向量（u）、狀態(tài)向量（x）、當前時間（t）以及輸出參數(shù)——通用返回參數(shù)（sys）、塊采樣時間和偏移量（ts）、初始狀態(tài)（x0）。

仿真環(huán)境的工作原理就是不停更新系統(tǒng)狀態(tài)的過程，系統(tǒng)可連續(xù)可離散。為了將S-Function嵌入到模型中，S-Function必須包含必要的callback（子函數(shù)）。仿真運行時依次執(zhí)行：模型初始化、計算輸出、更新離散狀態(tài)、計算導數(shù)、進入下一個采樣點循環(huán)，直至任務結(jié)束。S-Funciton子函數(shù)的調(diào)用以及仿真流程如圖3所示。

2.2" " 電氣接口適配器（調(diào)理箱）

調(diào)理箱的作用是完成硬件接口電信號的轉(zhuǎn)換。在半實物仿真中，要求仿真計算機和參試實物組件接口要統(tǒng)一，且滿足信息傳輸高精度、快速、強抗干擾能力的要求。因此，需要根據(jù)不同任務對信號、電氣特性的要求，設(shè)計相應的調(diào)理電路，實現(xiàn)隔離、放大、濾波等電信號的轉(zhuǎn)換。

通用信號按功能大致包括：飛行器上的傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、計算機等組件間的通信總線；開關(guān)量與時序接口；伺服機構(gòu)角位移模擬量采集，舵偏角指令模擬量輸出。綜上，半實物仿真平臺必備的硬件接口：RS-422/RS-485、AD、DA、DIO。

針對AD、DA、DIO以及一些無法使用通用數(shù)據(jù)采集卡的非標信號（例如BMK信號），可以引入智能FPGA板卡，并基于FPGA設(shè)計硬件接口電路，通過編寫簡單的程序即可完成相應信號的采集和輸出。

再加上聯(lián)網(wǎng)仿真時完成實時數(shù)據(jù)交互任務的VMIC反射內(nèi)存卡[7]，以及提供內(nèi)外部時鐘同步的高精度定時卡，就組成了分布式仿真下位機硬件資源的通用結(jié)構(gòu)。其硬件接口設(shè)計如圖4所示。

調(diào)理電路主要用來對智能FPGA板卡的電信號進行調(diào)整，使之與慣組模擬器、飛控組合體實物或角位置傳感器進行適配[8]。圖4中開關(guān)量輸入/出、模擬量采集AD以及模擬量輸出DA電路的設(shè)計主要用到光耦隔離、達林頓晶體管、AD轉(zhuǎn)換芯片、245總線驅(qū)動器等元器件搭建的模擬電路。

3" " 通用仿真平臺的多模設(shè)計

仿真平臺基于快速控制原型一體化的設(shè)計思想，將全數(shù)字仿真、快速控制原型與半實物仿真集成到統(tǒng)一環(huán)境中。為提高仿真平臺的通用性，以適應飛行器控制系統(tǒng)研制各階段的仿真任務，軟件層設(shè)計了多種仿真模式。

表1中的仿真模式從上到下涵蓋了從模型在環(huán)到實物在環(huán)的所有中間環(huán)節(jié)，滿足仿真各階段的需求，從電信號傳輸?shù)慕嵌确治?，實現(xiàn)了信號在仿真機內(nèi)流轉(zhuǎn)到信號在實時網(wǎng)絡(luò)上流轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換過程。

仿真模式切換的工作原理是在控制系統(tǒng)數(shù)學模型中加入所有傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和仿真設(shè)備等參試實物的數(shù)學模型以及硬件接口模塊，通過仿真頂層模型框架，收發(fā)VMIC仿真消息，使能需要的模塊，控制仿真流程，通過Switch開關(guān)選擇接入閉環(huán)仿真的是數(shù)學模型還是硬件接口模型，實現(xiàn)從模型在環(huán)到實物在環(huán)所有中間環(huán)節(jié)的一鍵切換。通用仿真平臺試驗模式切換原理如圖5所示，其開關(guān)與表1的仿真模式一一對應。

其中以下面四種閉環(huán)實時仿真模式最為常用：

1）全數(shù)字仿真。數(shù)學模型包括彈體動力學模型、舵系統(tǒng)數(shù)學模型以及飛行控制律模型。

2）飛控在環(huán)仿真。數(shù)學仿真模型包括彈體動力學模型、舵系統(tǒng)模型。通過飛控在環(huán)的閉環(huán)仿真試驗，可以校驗飛控計算機軟件算法的正確性，評估其控制性能的優(yōu)劣。

3）飛控+舵機在環(huán)仿真。數(shù)學仿真模型中包括彈體動力學模型。通過飛控+舵機在環(huán)的閉環(huán)仿真試驗，可以考核飛控計算機控制算法的正確性，分析舵機性能對控制性能的影響。

4）飛控+舵機+慣組在環(huán)仿真。數(shù)學仿真模型中包括彈體動力學模型。通過飛控+舵機+慣組在環(huán)的閉環(huán)仿真試驗，可以考核飛控計算機控制算法的正確性，分析舵機性能對控制性能的影響，研究慣組系統(tǒng)的作用，驗證完整回路下飛控系統(tǒng)的性能。

4" " 某靶標飛行器仿真設(shè)計實例

下面以某靶標飛行器的半實物仿真試驗為應用背景，檢驗仿真平臺的可靠性。

4.1" " 通用仿真平臺搭建

本試驗中的靶標飛行器已處于試飛前的驗證階段，傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等參試組件已經(jīng)齊備，需要進行全系統(tǒng)閉環(huán)測試并檢驗各分系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)性。

為了驗證仿真平臺的設(shè)計，本章伴隨同步開展某靶標飛行器的飛控+舵機+慣組在環(huán)（全狀態(tài)）半實物仿真。將仿真機、參試實物組件、仿真儀器設(shè)備、仿真軟件和VMIC網(wǎng)絡(luò)[9]通信協(xié)議集成到一個仿真回路當中；然后將飛行器數(shù)學模型嵌入到的仿真平臺頂層框架中，即完成了仿真模型的快速移植，能夠迅速將飛行器數(shù)學模型轉(zhuǎn)化為半實物模型并展開仿真驗證。

在整個VMIC實時網(wǎng)絡(luò)中，仿真上位機作為服務器，通過網(wǎng)絡(luò)注冊、網(wǎng)絡(luò)地址動態(tài)分配、共享數(shù)據(jù)匹配等工作，將六自由度仿真機、轉(zhuǎn)臺、負載臺、數(shù)據(jù)記錄計算機等客戶機連接在一個實時網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)分布式仿真平臺的聯(lián)網(wǎng)功能。

基于仿真軟件環(huán)境下模型封裝與接口設(shè)計的思想，為通用仿真平臺搭建了一套實時仿真模型框架，再配合VMIC網(wǎng)絡(luò)函數(shù)庫，可實現(xiàn)分布式仿真，完成多種仿真模式切換。模型頂層框架主要包括VMIC數(shù)據(jù)讀取模塊、仿真消息判斷模塊、飛控系統(tǒng)模型和IMU數(shù)據(jù)模塊，不同飛行程序嵌入到該框架中，即完成模型的快速移植。

4.2" " 某型靶標半實物設(shè)計及仿真結(jié)果

仿真停止時主控界面示波器曲線如圖6所示。

從圖6（a）（b）可以看到高度、速度指令和實際飛行高度、速度重合；圖（c）中兩條曲線分別為實測攻角和側(cè)滑角，符合控制律設(shè)計的期望，與數(shù)字仿真結(jié)果相同；圖（d）中飛行全過程真實舵機收斂、曲線未發(fā)散，說明飛控器全程可控。

4.3" " 結(jié)論

通過上述四組仿真圖的對比，可以驗證無人飛行器控制系統(tǒng)的控制律以及飛控軟、硬件的協(xié)調(diào)度，并能獲得最接近真實飛行試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)。綜上，通用仿真平臺可以作為半實物仿真試驗有效的分析及驗證工具，并且憑借它良好的通用性，支撐多數(shù)無人飛行器快速開展半實物仿真工作，同時滿足仿真各階段的需求。

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收稿日期：2025-01-14

作者簡介：趙斌（1990—），男，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向：飛行控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真。