王 欣,郭 鑫,劉 旭

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院,沈陽 110159)

0 引言

制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)是導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要組成部分,其性能的優(yōu)劣直接決定著導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度。而制導(dǎo)律仿真是針對設(shè)計(jì)出來的制導(dǎo)律進(jìn)行相關(guān)特性的驗(yàn)證[1]。

工程實(shí)踐中的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)都是采用嵌入式系統(tǒng)來實(shí)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(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最新成果的結(jié)合?？梢詫?shí)現(xiàn)飛行模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)等,為人們創(chuàng)建一種逼真、實(shí)時(shí)的虛擬三維世界,近年來在人機(jī)交互技術(shù)中具有良好的前景[3]。

文中從導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的工程實(shí)踐出發(fā),有機(jī)結(jié)合嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種虛擬的導(dǎo)彈制導(dǎo)過程的仿真平臺。該仿真平臺中的制導(dǎo)律采用嵌入式系統(tǒng)平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)和解算,三維虛擬視景仿真界面在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺上設(shè)計(jì)完成,兩個(gè)系統(tǒng)平臺之間采用串口協(xié)議進(jìn)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(shè)計(jì),虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺采用MultiGen Creator和Vega Prime進(jìn)行三維虛擬視景仿真設(shè)計(jì)。因此在嵌入式系統(tǒng)平臺上就可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同的制導(dǎo)律,而虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺就可以通過串口接收制導(dǎo)律的數(shù)據(jù),進(jìn)而在通用計(jì)算機(jī)的顯示器上顯示出虛擬的導(dǎo)彈制導(dǎo)過程。有利于直觀的驗(yàn)證導(dǎo)彈制導(dǎo)律設(shè)計(jì)的正確性。

1 仿真平臺框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)使用者自身的角度和行業(yè)特點(diǎn)的需求,實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(yīng)用較多,Creator用來實(shí)現(xiàn)三維場景的建模,Vega則實(shí)現(xiàn)三維場景模型的實(shí)時(shí)渲染,從而動態(tài)實(shí)現(xiàn)虛擬場景。

相關(guān)資料顯示,在國內(nèi)對導(dǎo)彈或飛行器的制導(dǎo)仿真系統(tǒng)主要通過API編程方式,在Vega軟件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。但在工程實(shí)踐中,導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)主要的核心是彈載計(jì)算機(jī),而彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的嵌入式系統(tǒng),則在通用計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈制導(dǎo)過程仿真是存在一定的兼容問題。針對這個(gè)問題,文中首先在嵌入式系統(tǒng)平臺上完成對制導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),然后采用虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)在通用計(jì)算機(jī)平臺上顯示虛擬三維動畫。

圖1 仿真平臺結(jié)構(gòu)圖

圖2 MPC8247內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)圖

圖1是文中整個(gè)仿真平臺的框架結(jié)構(gòu)示意圖,左側(cè)紅色虛框?yàn)榍度胧较到y(tǒng)平臺,嵌入式硬件應(yīng)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(shí)現(xiàn)制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)與解算,并把解算結(jié)果(指令加速度)通過串口方式傳輸給右側(cè)紅色虛框的虛擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺。文中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺通過Creator和Vega Prime開發(fā)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)三維視景環(huán)境,主要實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈制導(dǎo)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?dǎo)律;并把其參數(shù)輸送給導(dǎo)彈模型,驅(qū)動導(dǎo)彈沿著預(yù)期的軌跡,從而實(shí)現(xiàn)精確攻擊目標(biāo)。

2 嵌入式系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺

目前嵌入式硬件平臺已經(jīng)發(fā)展了很多種,根據(jù)內(nèi)核不同可以分為不同的平臺,如ARM、PowerPC、MIPS等?？紤]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(dá)400 MHz,具有低功耗,高可靠性,因此被廣泛應(yīng)用于大型操作系統(tǒng)。

圖2為PowerPC處理器的MPC8247處理芯片內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)內(nèi)部總線和外部總線的連接;CPM主要是在不同的通信設(shè)備上實(shí)現(xiàn)發(fā)送、接收數(shù)據(jù),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足所有通信設(shè)備獨(dú)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(nèi)啟動Bootrom(無盤啟動ROM接口),然后應(yīng)用Bootrom從網(wǎng)絡(luò)下載開發(fā)板需要的內(nèi)核和應(yīng)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(dāng)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(nèi)核,最后啟動相應(yīng)的程。

圖3給出了MPC8247開發(fā)板的外設(shè)架構(gòu)圖。

圖3 MPC8247開發(fā)板結(jié)構(gòu)框圖

MPC8247處理芯片因?yàn)椴缓琋andFlash控制器,文中應(yīng)用NandFlash控制器不需要存儲很大數(shù)據(jù),而是用于數(shù)學(xué)程序的運(yùn)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(yùn)算空間。串口1負(fù)責(zé)調(diào)試VxWorks操作系統(tǒng),串口2負(fù)責(zé)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺下的通用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(shí)時(shí)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(jìn)行集成開發(fā)環(huán)境來編譯程序,在這個(gè)過程中,Tornado同時(shí)會結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)核和程序,產(chǎn)生可以由CPU識別的VxWorks_rom.bin二進(jìn)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(yùn)行的二進(jìn)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(diào)試時(shí)間等相關(guān)信息。

2.3 VxWorks下的任務(wù)機(jī)制

制導(dǎo)律算法的仿真通常采用Matlab軟件編程實(shí)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(shí)現(xiàn),執(zhí)行的最小單元是task(任務(wù))。系統(tǒng)應(yīng)用程序接口都存儲在usrAppInit.c文件中usrAppInit()函數(shù)里,即全部運(yùn)行的應(yīng)用程序在usrAppInit()開始,也會在這里結(jié)束運(yùn)行。每個(gè)應(yīng)用程序都是由一或幾個(gè)task組成,實(shí)現(xiàn)功能,其中每個(gè)task都通過一個(gè)函數(shù)接口來實(shí)現(xiàn)usrAppInit.c中的usrAppInit()的調(diào)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(gè)Main (void)任務(wù)的代碼,代碼中105為Main (void)任務(wù)的優(yōu)先級,該參數(shù)建議設(shè)置范圍為大于100,代碼0xF000表示任務(wù)所需要棧空間內(nèi)存,Input_Main主要實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)的邏輯,也是任務(wù)調(diào)用的函數(shù)入口。“0,0,0,0,0,0,0,0,0,0”表示該任務(wù)所需要的參數(shù)(最大為10),默認(rèn)為零。

圖5 VxWorks啟動界面

2.4 制導(dǎo)律的解算和串口通信

文中中需仿真的制導(dǎo)律為帶落角約束的變結(jié)構(gòu)末制導(dǎo)律。為簡化導(dǎo)彈制導(dǎo)過程,導(dǎo)彈、目標(biāo)和控制站運(yùn)動為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動,且其運(yùn)動始終在同一平面內(nèi),如圖6所示,導(dǎo)彈和目標(biāo)相對運(yùn)動可以分解為偏航平面分量、俯仰平面分量。

圖6 導(dǎo)彈與目標(biāo)相對運(yùn)動關(guān)系

導(dǎo)彈與目標(biāo)相對運(yùn)動分析基于假設(shè)和前提:導(dǎo)彈、目標(biāo)和控制站運(yùn)動為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動,導(dǎo)彈和目標(biāo)速度為已知常量,控制、制導(dǎo)系統(tǒng)工作是理想的,彈速大于目標(biāo)速度,且攻角很小,所以可得出俯仰平面內(nèi)的彈目運(yùn)動方程:

(1)

引入落角約束:

(2)

式中γf為落點(diǎn)的期望速度傾角。

為了有效解決式(2)中的變結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)末制導(dǎo)律表達(dá)式:

(4)

文中設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)解算式(4),然后將式(4)中的數(shù)據(jù)通過串口任務(wù)傳遞給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。所以，在VxWorks下面主要有兩個(gè)任務(wù),一個(gè)是Guidance任務(wù),另一個(gè)是Serial任務(wù)。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(gè)任務(wù)間的數(shù)據(jù)共享,以及每個(gè)任務(wù)的?？臻g大小,就可以完成制導(dǎo)律的解算和數(shù)據(jù)通信工作。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

3.1 Multigen Creator模型建立

實(shí)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(gè)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(yīng)用的三維模型建立軟件Multigen Creator[6]。該模型建立軟件的獨(dú)創(chuàng)性是使用層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)技術(shù)對三維虛擬場景實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)三維模型建立軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),很難實(shí)現(xiàn)對局部進(jìn)行修改調(diào)整,文中層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為OpenFight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),采用了節(jié)點(diǎn)式的數(shù)據(jù)分層結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)對每個(gè)小模塊迅速調(diào)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(shí)實(shí)時(shí)開發(fā)工具,具有強(qiáng)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(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。如圖7 Vega Prime軟件結(jié)構(gòu)可看作Vega Prime封裝了底層OpenGL,這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以使開發(fā)人員通過Vega Prime模塊,實(shí)現(xiàn)對OpenGL的操作[8-10]。

圖7 Vega Prime軟件結(jié)構(gòu)

Vega Prime為用戶提供一個(gè)簡單明了的開發(fā)界面,提供了一種可擴(kuò)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能,提供了基于C++面向?qū)ο蟮腣ega Prime庫。

3.3 基于MFC的Vega Prime軟件設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)就是采用Visual Studio2005中MFC的文檔視圖架構(gòu)來編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法。其中,在該架構(gòu)下將Lynx Prime設(shè)計(jì)的三維模型底層框架作為一個(gè)線程在MFC中運(yùn)行,同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)Serial線程來接收嵌入式系統(tǒng)平臺解算好的制導(dǎo)律,然后再通過這個(gè)Serial線程的數(shù)據(jù)來驅(qū)動三維模型運(yùn)動起來。圖8為基于MFC下的Vega Prime程序結(jié)構(gòu)流程圖。

圖8 基于MFC的Vega Prime結(jié)構(gòu)流程圖

下面幾行代碼就是當(dāng)點(diǎn)擊仿真開始按鈕后產(chǎn)生的消息響應(yīng)函數(shù)。其中Guidance.acf文件作為一個(gè)實(shí)例被Vega Prime的內(nèi)核程序調(diào)用,進(jìn)而將在Lynx Prime中設(shè)計(jì)好的三維模型導(dǎo)入到MFC中,然后配置窗口相關(guān)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(yīng)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(dǎo)律,采用串口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,類似于傳統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)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(xué)模型:某武裝直升飛機(jī)在高度2 000 m處發(fā)現(xiàn)前方地面裝甲目標(biāo),要求發(fā)射空地導(dǎo)彈精確摧毀目標(biāo)。模型假設(shè)目標(biāo)初始速度為VT=0 m/s,導(dǎo)彈相對目標(biāo)的速度為VM=300 m/s,導(dǎo)彈初始位置與目標(biāo)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(shí)現(xiàn)帶落角約束的滑模變結(jié)構(gòu)制導(dǎo)律實(shí)現(xiàn)了在擊中目標(biāo)的同時(shí),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(biāo)。

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(dǎo)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(gòu),在默認(rèn)架構(gòu)的菜單欄中設(shè)計(jì)兩個(gè)新項(xiàng)目,一個(gè)為仿真程序開始和結(jié)束控制按鈕。另一個(gè)為串口配置按鈕。新增的串口配置按鈕設(shè)置是基于MPC8247底層參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。在該設(shè)計(jì)的編程架構(gòu)中,嵌入式系統(tǒng)平臺要實(shí)現(xiàn)的彈道模型可通過與Vega Prime的程序進(jìn)行無縫連接,達(dá)到實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈制導(dǎo)律的三維虛擬仿真。

圖10 基于MFC的Vega Prime程序界面

當(dāng)武裝直升機(jī)發(fā)現(xiàn)地面目標(biāo),并發(fā)射了空地導(dǎo)彈時(shí),圖11中展示了導(dǎo)彈按照嵌入式系統(tǒng)平臺計(jì)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(dǎo)彈在空中飛行

圖12中導(dǎo)彈精準(zhǔn)命中目標(biāo),在下方的計(jì)算機(jī)終端可以清楚看到目標(biāo)被擊中的瞬間情形,同時(shí),將該圖與圖10中的彈道軌跡進(jìn)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(jié)果基本相同,且仿真畫面更為直觀。

圖12 導(dǎo)彈精準(zhǔn)命中目標(biāo)

圖13為三維虛擬仿真平臺的實(shí)物圖展示,計(jì)算機(jī)平臺左側(cè)為嵌入式系統(tǒng)平臺MPC8247開發(fā)板,當(dāng)開發(fā)板上紅燈亮?xí)r說明該平臺處于正常工作狀態(tài)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺在計(jì)算機(jī)平臺搭建實(shí)現(xiàn),顯示器上為整個(gè)仿真界面。計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)串口完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖13 仿真平臺實(shí)物

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種新型制導(dǎo)律仿真平臺。該仿真平臺結(jié)合嵌入式系統(tǒng)平臺和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對三維虛擬視景仿真界面設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明,該制導(dǎo)律仿真平臺非常直觀地展示了空地導(dǎo)彈末端制導(dǎo)過程,更好地制導(dǎo)導(dǎo)彈的運(yùn)行軌跡。其主要結(jié)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(yùn)行,這是仿真平臺的基礎(chǔ)。

2)為緩解嵌入式系統(tǒng)下程序的調(diào)試工作,文中使用VS2005軟件對C語言實(shí)現(xiàn)的算法進(jìn)行驗(yàn)證看其是否正確,調(diào)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(shí)系統(tǒng)平臺通過串口協(xié)議通信能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸正確、順暢。

4)文中MFC中設(shè)計(jì)兩個(gè)新項(xiàng)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(shè)計(jì)模擬了真實(shí)的彈載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了制導(dǎo)律的整個(gè)工作過程,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺的視景仿真系統(tǒng)直觀地展現(xiàn)了導(dǎo)彈的制導(dǎo)過程,由此分析彈道的設(shè)計(jì)是否合理。給制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)提供更為簡單明了的實(shí)驗(yàn)依據(jù),從而縮短研究周期,節(jié)約研發(fā)成本。