郝秀;宗;李庆鑫;徐锐
【摘 要】围绕高超声速飞行器模型与控制器设计问题，提出具有实时性能的高超声速飞行器仿真平台。该平台基于分布式架构，集成了主控计算机、dSPACE设备和视景计算机。针对dSPACE自带监控软件的缺点，主控计算机采用MFC框架，基于TRC文件解析和Clib API技术，集成了dSPACE设备实时仿真功能，自主开发了仿真监控软件；视景计算机基于OpenGL技术实现了实时显示与驱动飞行器视景动画的功能。在上述功能设计的基础上开发的实时仿真平台实现了对飞行器模型或控制器算法的实时仿真验证、抗干扰功能验证及可视化视景显示功能，使对高超声速飞行器的研究结论更加可靠。%With respect to the designs of hypersonic vehicle models and controllers,we present a simulation platform for hypersonic vehicles with real-time performance.Based on distributed framework,the platform integrates the master controlling computer,the dSPACE equipment and the visual computer.For the shortcoming of dSPACE in self-bringing the monitoring software,in master controlling computer we adopt MFC framework,integrate the real-time simulation function of dSPACE devices based on TRC file parsing and Clib API technology, and independently develop the simulation monitoring software.In addition,the visual computer realises the functions of real-time display and driving the scene animation of the vehicle based on OpenGL technology.The real-time simulation platform developed on the basis of the above mentioned functions designing realises the real-time simulation verification on vehicle ’s models and controller algorithms,the function verification on anti-interference and the function of visualised scene display,these make the conclusion of research in regard to hypersonic vehicles more reliable.
【期刊名称】《计算机应用与软件》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】4页(P52-54,122)
【关键词】dSPACE;实时仿真;高超声速飞行器;视景仿真
【作 者】郝秀;宗;李庆鑫;徐锐
【作者单位】天津大学电气与自动化工程学院 天津300072;天津大学电气与自动化工程学院 天津300072;天津大学电气与自动化工程学院 天津300072;天津大学电气与自动化工程学院 天津300072
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.9;V411.8
高超声速飞行器通常是指以火箭或超燃冲压发动机为主要动力，飞行速度超过5倍声速的有翼或无翼飞行器。由于其在军事、经济方面将发挥重要战略作用和极高的应用价值，现已成为当今世界军事强国所广泛关注的焦点［1］ 。
对高超声速飞行器控制技术的研究具有科学前瞻性、发展战略性及学科带动性，世界各发达国家均加大了对该类飞行器的研究和开发投入。其中，最为成功的当属美国国家航空航天局(NASA)开展的Hyper-X项目，代表性的机型为采用超燃冲压发动机的X-43A高超声速飞行器［2］ ，其在飞行试验中创造了9.7马赫的飞行速度记录。之后，由美国空军研究实验室(AFRL)研制的乘波体结构的X-51A飞行器于2010年完成了成功试飞，同年X-37B轨道
试验飞行器也发射成功，标志着高超声速飞行器的研究进入了一个新的阶段［3］ 。但是，该类飞行器采用的发动机/机体一体化设计，为飞行试验带来了极大的挑战，多数飞行试验均以失败而告终。同时，高超声速飞行器存在诸多技术难题，造成其研究周期长，研制成本极高的特点。因此，在产品实际研制成型的前期，做好充分的理论验证和大量的仿真试验显得尤为重要，特别是针对新型的高超声速飞行器，传统的飞行器设计技术已经不能适应其研制要求，需要进一步提高飞行器的系统仿真技术。
中国近年来对于高超声速飞行器的理论研究越来越深入，但这些研究大多停留在纯数学MATLAB仿真阶段，不具有实时抗干扰功能验证设计，不能直观、综合地检验实际的控制效果［4-6］ 。为此，提出新的仿真平台建设方案:该方案的建设目标是将数字仿真开发环境、实时仿真验证环境、以及实时视景仿真集成到统一的仿真平台软件架构体系之中，实现对飞行器模型或方法的实时验证功能，抗干扰性能测试及实时的可视化视景显示效果;该方案基于Windows操作系统，以MATLAB仿真软件、dSPACE实时仿真设备、OpenGL视景仿真技术为核心，以Visual C++2010为开发工具，利用基于套接字的UDP通信方式传输视景仿真数据。下面将对该方案进行详细介绍。
dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统在实时环境下的开发及测试工作平台，实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接。dSPACE实时系统由两大部分组成，一是硬件系统，二是软件环境。其中硬件系统的主要特点是具有高速计算能力，包括处理器和I/O接口等;软件环境可以方便地实现代码生成、下载和试验调试等工作［7］ 。
dSPACE公司提供了专门的ControlDesk综合实验软件来对DSPACE实时仿真工程进行监控、管理，然而，ControlDesk没有提供与外部程序的接口，无法用于驱动实时视景仿真，这一缺点对于建立完善的仿真平台是致命的。为此，需要独自开发实时数据监控软件，监控实时飞行数据，同时自主添加通信模块，实现对视景仿真的驱动。
dSPACE公司设计了Clib编程函数库实现对dSPACE处理器中内存信息的读取。利用Clib可以方便实现主控机和dSPACE处理器之间的交互操作，包括在线参数调整、实时仿真监控等功能。这些特性可以完成绝大多数ControlDesk工具所提供的功能，实现监控软件的自主开发。
高超声速飞行器实时仿真平台基于分布式架构，分别对仿真主控机，dSPACE、视景计算
机进行开发，平台总体架构如图1所示。
在主控机上，主要完成两部分工作。其一，基于MATLAB技术的飞行器全回路仿真设计，包括飞行器模型、控制方法、执行器、环境模型等的设计实现，同时，需要在整个仿真回路中添加MATLAB/Simulink模块和dSPACE通信的RTI(Real-time Interface)接口，RTI接口是连接dSPACE实时系统与MATLAB/ Simulink纽带，通过对RTW(Real-time Workshop)进行扩展，可以实现从Simulink模型到dSPACE实时硬件代码的下载。其二，主控软件的设计工作，利用该软件可以实现如下功能:
1)读取MATLAB/Simulink模块信息，并将其下载至dSPACE设备;
2)dSPACE实时数据的在线读取，实现dSPACE实时数据的在线监控;
3)在线实时修改dSPACE中Simulink模型信息，验证模型或控制方法的抗干扰性能;
4)主控机和视景计算机实时通信，向视景计算机传输飞行数据。
视景计算机实现飞行器的实时视景显示效果。在该计算机上，研究人员可以实时看到飞行
器的姿态变化，对纯数字信息赋予的实际意义有更形象的了解。同时，辅助添加逼真的飞行场景，给予工作人员更准确、丰富的视觉效果。在该计算机上需要设计数据通信接口，实时接收飞行器姿态信息;同时，设计飞行器驱动显示界面，这是视景仿真的关键，驱动显示界面的清晰、连续性直接影响最终效果。
dSPACE设备配备有两块DS1005处理器、一个DS910光线通信模块，两个处理器分别完成对飞行器模型和控制方法的实时仿真，提高数据处理速度。通过利用光纤模块的高速数据通信能力，下载Simulink程序到dSPACE。对于dSPACE的设置、使用及控制通过主控软件完成。
3.1 飞行器全回路仿真设计
目前对于不同高超声速飞行器的控制方法层出不穷，在实时仿真前期，需要建立完善的仿真回路，在MATLAB方式下验证模型或方法的可用性。飞行器控制仿真全回路设置为如图2所示形式，回路中依次包括控制器、执行器、飞行器模型以及环境模型。
为了方便后期主控软件对模型参数的修改，将飞行器模型模块进行子模块划分，包括模型物理常量、气动参数模块、运动学方程。
为了模拟飞行器的特定飞行环境，需要在仿真中设计逼真度较高的环境模型，在后期实时仿真环境下更改模型参数可以验证飞行器抗干扰性能。MATLAB/Simulink下的Aerospace Blocket［8］ 提供了相应的大气模型、风模型以及重力场模型，在实际仿真工作中可以依靠实际飞行器模型的飞行环境配置该模型。
如果在MATLAB环境下，设计的控制方法达到稳定性需求，则可以向该回路中添加dSPACE的RTI实时仿真接口，经过仿真参数设置实现Simulink程序到dSPACE实时代码的生成。为了提高数据处理速度，充分利用dSPACE双核处理功能，将主处理器放置到图2中1所示位置，从处理器放置到图2中2所示位置，实现控制方法和模型的并行处理功能。
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