一种自主水下航行器半实物仿真系统

发布时间:2013.09.03 新闻来源:反射内存-实时仿真技术网 浏览次数:

一种自主水下航行器半实物仿真系统

 

摘要

半实物仿真(HILS)在自主水下航行器(AUV)控制系统开发过程中起着非常重要的作用。针对AUV控制系统开发测试的需要,提出一种基于AD/RTS实时仿真计算机的半实物仿真系统;该系统由AD/RTS实时仿真计算机和三轴模拟转台、水压仿真器、舵机负载模拟器等物理效应设备组成重点讨论了AD/RTS仿真计算机和VMIC反射内存实时网络,最后给出半实物仿真运行的结果结果表明:该仿真系统能够为控制系统提供测试环境,并作为AUV研制和实航试验的依据。本文中采用GE反射内存卡,GE反射内存网价格合理,性能高,减少技术开发投入,减小系统风险。

 

0引言

自主水下航行器(AUV)被称作海军的“力量倍增器”,有着广泛而重要的军事用途,可作为潜艇自卫和进攻的手段,也可作为潜艇远距离航行时的通信中继站,提高潜艇的生存能力;同时还能作为反水雷工具,深入敌水雷区绘制雷区图,以引导己方舰艇安全通过。控制系统半实物仿真是自主水下航行器研制过程中的一个重要环节。半实物仿真的一个显著特征是“硬件在回路(HardwareintheLoop)”:仿真系统由数学模型和实际物理部件共同组成,运动方程由实时仿真计算机求解,传感器和执行机构实际接入系统中,以减少控制器数学建模的误差。半实物仿真的主要目的是:在水下航行器实航试验之前,检验控制系统中自动驾驶仪、方位姿态参考系统等组部件的功能,以及检验可靠性和兼容性问题。

针对安装了方位姿态参考系统(AHRs)、声学测速仪的某水下航行器控制系统,设计并完成了以AD/RTS实时仿真计算机为核心的半实物仿真系统;通过三轴模拟转台、水压仿真器可为控制系统敏感元件提供工作环境,并完成对控制系统中自动驾驶仪、方位姿态参考系统等关键组部件的考核测试,为下一步的湖、海实航试验提供技术保障。

 

1水下航行器控制系统

为了简化系统结构、降低造价,本文所研究的自主水下航行器控制系统采用导航.控制一体化设计;航行控制系统同时具有完成水下航行器的任务管理、导引、航行控制和导航定位功能。控制系统由自动驾驶仪、方位姿态测量系统、声学测速仪、压力传感器和舵执行机构等组成,其结构示于图1。

图1水航行器的控制系统结构图

该系统中,自动驾驶仪由控制计算机、数字模拟信号处理电路等组成,用于接收外部传感器信息、获得水下航行器的航行状态数据;并经计算后将控制指令送给舵执行机构,控制水下航行器的3维水下空间运动,实现预定的航行任务;方位姿态测量系统用于测量水下航行器的航向角、俯仰角和横滚角,其输出采用RS一232C接口标准;声学测速仪用于测量水下航行器对于海底的相对速度在载体系3个轴向的分量,其数据输出同样采用RS一232C接口标准;压力传感器用于测量水下航行器的航行深度,其输出为模拟电压信号;舵执行机构接收控制系统给出的操舵指令模拟信号,由电动伺服机构驱动水平舵机和垂直舵机动作。

 

2半实物仿真系统设计

以往的水下航行器半实物系统中,仿真建模一般采用C语言和MATRIX等软件平台,难以与目前主流的仿真软件平台MATLAB相兼容;且因受限于实时性,使半实物仿真的动态过程难于以三维图像的形式同步输出。计算机技术的发展,为航行器新型控制半实物仿真系统的改进提供了条件;第一,仿真主机的计算速度和实时仿真软件的实时性大为提高,为水下航行器复杂的非线性流体动力学方程的实时求解提供了条件;第二,采用了基于光纤的实时网络通信技术,可以摒弃传统的数模转换技术连接外围物理仿真效应设备的方法,减少了信息传输中的模拟干扰和信号衰减。

2.1半实物仿真系统结构

自主水下航行器控制系统半实物仿真试验,要求仿真系统能够为控制系统提供真实的工作环境,并充分模拟不同的工作条件,以检验系统的功能是否正确、可靠性是否满足要求、边界条件下动作是否正常。为此仿真系统应具如下功能:

(1)实时进行自主水下航行器的6自由度非线性模型仿真解算。

(2)通过对舵反馈电压信号采样,实时测量直舵和横舵的舵角值。

(3)通过水压仿真器,实时输出当前自主水下航行器航行深度对应的压力信号,供压力传感器测量。

(4)将方位姿态参考系统和倾斜仪敏感元件固定安装在角运动模拟器上,通过三轴角运动模拟器,实时模拟AUV的运动航向和姿态。

(5)在无法为声学测速仪提供真实工作环境的情况下,用仿真计算机的串行通讯端口,进行声学测速仪的功能模拟。为满足上述需要,设计了以VMIC反射内存实时网络组成的自主水下航行器制导控制半实物仿真系统;该系统由AD/RTS仿真主计算机、VMIC实时网络、2D图像显示计算机、转台工控机和三轴模拟转台、YSM一3水压仿真器等物理效应设备及被试实物组成(见图2所示)。

图2AUV半实物仿真系统

仿真主机是半实物仿真系统的核心,用于AUV的6自由度非线性模型实时仿真解算,并将仿真得到的深度通过串行通讯发送给水压仿真器的接口控制柜,同时对舵机负载模拟器的舵角反馈信号进行采样。在2D图像显示计算机上,利用图形化编程语言LabVIEW开发虚拟仪器,可实时直观地观察:仿真主机通过实时内存网络传输给转台及角运动模拟器的实际角度变化数据图形,并进行实时记录。转台工控机实时接收仿真计算机解算的AUV航行中的姿态信息,并转换为三轴模拟转台框架的旋转角和旋转角速度,形成逼真的AUV姿态运动环境。

2.2半实物仿真实时网络实现

实时参与的仿真试验中,仿真计算机需要将数据实时地传递到其它参试设备。随着试验规模的扩大,更多的设备需要与实时仿真计算机进行实时的数据交换;原来由仿真计算机集中控制的信息传递模式,已经不能适应这种大规模的实时信息交互需求,这就产生了对仿真实时网络的要求。反射内存网的诸多特点使其成为实现实时系统的一种理想技术。与以太网和FDDI相比,反射内存网是采用硬件方法实现数据通信的,通信完全不占用CPU时间,且数据包非常小,有利于突发性的数据传输,可以满足实时应用。本设计中,采用VME和PCI两种总线接口的VMIC反射内存板,采用环形连接,在仿真主机、2D图像显示计算机和转台工控机三台计算机之间构成实时网络,两个节点问可以达到29.5MB/s的数据传输速度。

 

2.3AD/RTS实时仿真计算机

对实时仿真计算机的要求之一,是具有能够在确定的时间内执行计算或处理的功能,并对外部的事件做出快速响应;本系统中配置了双CPU的AD/RTS6250实时仿真主机,仿真帧时间设计为0.5~1.0ms。AD/RTS6250实时仿真计算机提供专门为实时半实物动力学仿真设计的完备的硬软件产品。模块设计是以工业标准为基础的,并且结合了最新的微机处理和软件技术。其独特的体系结构,使它在功能上既能满足当前的需要,又能随之对功能需求的增长而发展。AD/S620实时仿真机的内部配置如图3所示。其中除了各网络通信接口外,还包括:

(1)6CEX一5101/64:基于5100计算机芯片的AIX操作系统(64M);

(2)6V-9431:64通道光电隔离输出;

(3)6V-1616AD一1:16通道16位并行A/D、D/A接口板;

(4)6V-IP470s:48通道数字TTL输入/输出。

图3AD/RTS仿真主机内部结构图

SIMsystem是应用于AD/RTS实时仿真机的仿真软件环境,其中AdvantageIntegratedDevelopment Environment(IDE)是SIMsystem和AD/RTS产品的图形界面。AdvantagelED具有易于使用的图形环境、面向过程的处理方法、模块化的方法、模型可重用、CACSD工具互操作性、简单的I/O连接等特点。通过AdvantageIED环境,用户可以开发模型,进行模型的实时分析,测试用户外部硬件中或者内嵌系统中的模型。AdvantageIED提供这些功能的“bridge”,允许利用除了AdvantageIED的开放体系以外的建模工具(如:SIMULINK等)。在ADI实时仿真计算机上进行仿真的步骤如图4所示。

图4AdvantageIDE典型的仿真流程图

3仿真试验

根据如图2所示的AUv半实物仿真系统结构连接设备,进入全联动状态,进行半实物仿真实验,其操作步骤如下:

①仿真主机设置自主水下航行器航行初始条件,设置仿真步长,仿真次数,并按此条件计算闭环解,记录(f)、(f)、qD(t)、y(t)及、、等运动参数。

②仿真计算机、转台、水压仿真器供电,液压站启动。

③零输出条件下,转台输出角调零,水压仿真器输出压力调零。

④仿真机置于开环调试程序下,接通各接口开关。

⑤控制系统供电,启动方位姿态参考系统,舵机进入工作状态。

⑥自动驾驶仪的启动开关闭合,该信号经AID端口输入到仿真机。

⑦仿真机一旦采集到开始信号,便立刻转入闭环动态循环程序,观察实时图形显示,并做好相关记录源。

⑧航行结束后,自动驾驶仪发出航行停止信号,仿真机进入保持状态,其它各设备断油源、断电源。

⑨仿真机将内存相关数据转存于磁盘文件。

图5为试验过程中记录的垂直舵角()和水平舵角()曲线。

图5半实物仿真舵角曲线

通过该AUV控制系统的半实物仿真试验,验证并考核了系统的动态工作特性,得到如下结论:

(1)AUV的控制系统与传感器、舵机接口正确可靠,与参数设定装置接口匹配,工作正常,达到设计要求。

(2)控制系统软件工作逻辑正确,时序完全符合软件需求。

(3)该AUV的纵向通道和航向通道控制平稳,均无超调,控制参数经过调整满足控制品质要求,机动性能良好、满足要求。

4结语

应用半实物仿真技术不但可以优化产品设计,而且可以使设计者尽快发现设计中存在的不足与缺陷,进而深化产品设计,提高产品质量。本文中对自主水下航行器半实物仿真系统的设计,采用实时仿真计算机和反射内存实时网络,满足了实时性要求。试验验证系统实时性良好,并最终考核了系统的动态工作特性,为实航试验提供了大量的试验依据。

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