導彈制導控制半實物仿真實驗系統設計

于秀萍， 劉 濤， 吳新鋒， 張浩昱

(哈爾濱工程大學 自動化學院， 哈爾濱 150001)

導彈制導控制半實物仿真實驗系統設計

于秀萍， 劉 濤， 吳新鋒， 張浩昱

(哈爾濱工程大學 自動化學院， 哈爾濱 150001)

針對探測制導與控制技術專業本科生的學習與實驗教學的需要，基于實驗室已有的二軸轉臺光電跟蹤系統設計了導彈制導與控制半實物仿真教學實驗平臺。該平臺以二軸轉臺作為物理實物部分，以PC機和運動控制器為控制平臺和控制核心，通過轉臺的運動控制卡庫函數實現轉臺偏航軸和俯仰軸的位置和速度控制。運用Simulink可視化的系統建模界面建立某導彈的運動學和動力學模型，組成導彈的內環姿態控制回路和外環制導回路，用RTW技術將模型轉化為代碼，加入I/O接口后，將轉臺放入回路中進行半實物仿真。經測試驗證，該系統在學生實驗中起到了良好的教學效果。

導彈制導控制； 半實物仿真； Simulink； 運動控制； 教學實驗平臺

0 引 言

目前，探測制導與控制技術專業實驗室以二軸轉臺為硬件平臺，PC機為軟件平臺，可以實現圖像識別、運動控制及靶標跟蹤等實驗，涉及到數字圖像處理、電機控制等知識。為了加深學生對飛行器制導控制概念的理解，激發學生的學習興趣，開發了導彈制導控制半實物仿真實驗平臺，該平臺以導彈的姿態控制和制導控制為主要教學內容，可以實現模擬導彈姿態運動的實時觀察和導彈彈道的顯示，實現制導與控制規律的驗證，深化學生對專業知識的理解，激發學生對飛行器制導控制的興趣及好奇心[1-3]。

1 制導控制半實物仿真系統設計

1.1 實驗設備組成

制導控制半實物仿真實驗系統實物圖如圖1所示，主要由以下幾部分組成：

(1) 二軸飛行轉臺。轉臺為模擬導彈或雷達跟蹤系統運動模塊的類工業旋轉運動系統。它包含電控箱、轉臺本體兩大部分。轉臺本體包括：機械構件、伺服電機(2套)、限位開關。電控箱里面安裝有伺服運動控制器、I/O接口板、電源開關等。

(2) 圖像采集設備。圖像采集設備由工業攝像頭、鏡頭、1394接口卡(含數據線)三部分組成。

(3) 仿真與控制計算機。計算機安裝系統為Windows XP、PCI插槽安裝ADT-8960運動控制卡。

(4) 靶標。目標模擬器采用靜止靶標。

(5) 彈體模型。此模型采用3D打印技術制造，安裝于轉臺上，便于觀察導彈姿態變化。

圖1 實驗系統實物圖

1.2 制導控制半實物仿真實驗教學知識點及系統設計

結合半實物平臺的教學用途，學生通過該仿真實驗可以鞏固、掌握的知識點有：① 直流電動機的位置、速度控制方法及控制器的設計；② 導彈動力學模型、運動學模型、彈目相對運動模型的建立；③ 自動駕駛儀的設計方法；④ 比例導引規律的設計方法及導引系數與脫靶量之間的聯系；⑤ 半實物仿真的具體實現方法；⑥ MFC界面編程的思想及具體實現[4-6]。設計制導控制半實物仿真實驗平臺結構如圖2所示。

圖2中右邊紅色虛線框中為在Simulink中建立的導彈制導控制仿真模型，可以封裝為EXE可執行文件作為仿真內核，通過PC機的VC++環境輸入導彈的初始運動參數(坐標、速度初始姿態角、初始彈道角)及控制參數、導引參數和目標的初始參數(坐標、速度等)，使仿真內核開始運行，將導彈的姿態角(對于二軸飛行轉臺，只有俯仰角、偏航角)或對應的角速度輸入到飛行轉臺，控制其轉動相應的角度，并通過運動控制卡ADT-8960控制光電編碼器采集相應的姿態角和角速度再傳遞給內核，攝像頭充當導引頭采集靶標的運動參數也傳遞給仿真內核，如此循環構成制導控制回路，當導彈距離目標最近時仿真結束。根據半實物仿真系統預期要求，設計的系統軟件需具備如圖3所示的功能。

圖2 實驗平臺設計結構圖

圖3 半實物仿真系統軟件功能圖

綜上所述，從系統功能需求和教學需要出發，系統設計任務如下：

(1) 基于Simulink建立導彈制導控制系統模型并仿真驗證；

(2) 運用RTW模塊將Simulink模型轉化為基于VC++的實時代碼；

(3) 設計Simulink模型與VC++平臺的I/O接口，并將兩者封裝為EXE仿真內核；

(4) 系統軟件功能設計及人機交互界面的設計；

(5) 半實物仿真平臺的功能測試。

2 導彈三自由度制導控制仿真

2.1 基于Simulink的導彈制導控制仿真

(1) 導彈縱向運動的數學模型[7-8]。導彈縱向運動微分方程描述如下：

dx/dt=vcosθ

dy/dt=vsinθ

m=673-0.12t,P=300,g=9.8

(2) 氣動參數計算模塊

X=Cxqs

Y=Cyqs

Cx=0.077 8·α+0.4

Cy=0.391 6·α-0.041

mz1=-0.093 4·α-0.003 6

q=ρv2/2

取彈體參數:S=0.12,xt=2.2,xp=4.7,bA=1.2,空氣密度ρ=1.05，Cyδz1=0.06。

(3) 制導與控制系統模型

① 運動學環節:

彈目相對位置

xr=xm-x

yr=ym-y

彈目相對速度

彈目相對距離

彈目視線角速度

彈目相對距離變化率

② 自動駕駛儀設計。選擇導彈的指令舵偏角為

經優化設計，得控制規律參數

Kpf=0.106,Kdf=2.312

③ 制導規律選取。選取廣義比例導引法，則導彈控制系統的指令過載為

將上面各個模型的Simulink仿真模型連接起來得到三自由度導彈制導控制系統仿真模型總框圖[5-8]，如圖4所示。

2.2 Simulink仿真模型的封裝與調用[9-13]

導彈的制導控制仿真結構圖通過Simulink自帶的工具包RTW轉化為C++代碼，并設計I/O接口，最后封裝為EXE仿真內核，在VC 6.0中進行調用。

圖4 導彈三自由度運動制導控制仿真模型圖

2.2.1 仿真模型的封裝

設置好RTW的各選項，步長50 ms，編譯成功后，在VC 6.0中打開擴展名為mak的文件，VC 6.0會自動加載與程序有關的頭文件和庫文件。若運行程序，會生成.mat文件，其中包含了運行過程中各參數的數據，但VC 6.0不能直接讀取.mat文件的數據，因此需要進行二次開發設置I/O接口。

2.2.2 I/O接口程序設計

編寫I/O接口程序應注意RTW編譯生成的cpp文件的初始化函數MdlStart，和輸出結果的函數MdlTerminate，在MdlStart函數中添加讀取參數設定初始值的程序，在源程序中找到每個outport,讀取輸出值，再在MdlTerminate函數中添加輸出導彈、目標的運動學參數、動力學參數值的程序。待程序修改完畢，測試運行成功后，編譯，連接，則會生成模型的EXE文件[14-15]，且帶有輸入輸出接口，這就是仿真內核，可以在VC 6.0中直接調用了。

2.2.3 仿真內核調用

在VC 6.0中調用仿真內核EXE文件，本文使用Windows自帶的Windows API函數UINT WinExec(LPCSTR lpCmdLine,UINT uCmdShow)，lpCmdLine：指向一個空結束的字符串，串中包含將要執行的應用程序的命令行(文件名加上可選參數)；uCmdShow：定義Windows應用程序的窗口如何顯示，并為CreateProcess函數提供STARTUPINFO參數的wShowWindow成員的值。

3 二軸飛行轉臺控制器的設計

在VC 6.0中建立一個基于對話框的MFC程序，由于仿真內核的仿真步長是50 ms，故每過一個步長，給轉臺一個控制信號，轉臺的運動控制采用庫函數symmetry_relative_move()，可以一次性輸入角速度和角度信號。轉臺采用閉環控制，將其設計為典型的Ⅱ型系統，因為該系統根據“諧振峰值最小原則”設計，跟隨性能較Ⅰ型系統好得多，且調節時間短，根據工程經驗，選擇中頻帶寬度h=5，設計為“最佳Ⅱ型系統”。設置轉臺角度誤差1°，滿足條件時用庫函數get_actual_pos()讀取轉臺的角度信號并計算轉臺的角速度信號，作為仿真內核的輸入參數，這樣就把轉臺放在了回路中進行仿真，也即半實物仿真。

4 靶標探測與曲線顯示

攝像頭采集靶標圖像進行處理，在人機交互對話框初始化函數中建立一個線程，來進行圖像處理，具體流程是:① 圖像二值化；② 圖像腐蝕，濾掉小的物體；③ 灰度拉伸變換；④ 目標輪廓提?。虎?計算目標物體的質心。把物體的質心坐標按一定比例放大作為靶標的坐標顯示于界面上。圖像的顯示是通過定時器采樣，每隔200 ms采樣一次。

導彈彈道、目標軌跡及各參數的變化曲線采用TeeChart Pro ActiveX控件。其中，導彈彈道、目標軌跡圖采用三維坐標繪制，由于是三自由度仿真，將其中一個坐標設為常值。

5 人機交互界面設計及功能測試

5.1 人機交互界面設計

仿真系統主界面如圖5所示，圖中：① 區為彈道及目標軌跡顯示區；② 區為導彈的初始運動參數及控制、控制器參數、導引系數輸入區以及脫靶量的顯示區；③ 區為導彈姿態的相關參數顯示區及參數隨時間變化的按鈕；④ 區為靶標的初始運動參數輸入區；⑤ 區為俯仰、偏航通道選擇和目標識別及仿真操作區；⑥ 區為目標圖像的顯示區；⑦ 區為轉臺測試的相關操作區，有轉臺的輸入信號測試(正弦輸入、階躍輸入)和轉臺兩個軸的開環操作，還有轉臺的控制參數顯示。

5.2 導彈姿態控制半實物仿真功能

仿真開始前，必須先按下“轉臺回零”按鈕使轉臺回歸零位，進行姿態仿真時無需打開攝像頭，先選擇俯仰通道、偏航通道或俯仰+偏航，再直接從界面輸入導彈和靶標的運動參數及控制參數Kpf、Kdf和導引系數K，然后點擊“半實物仿真”按鈕，系統開始運行，此時轉臺模擬導彈開始動作，界面上同時開始顯示導彈彈道和目標軌跡，導彈相關參數也開始實時變化顯示。本文選擇“俯仰通道”，待仿真結束后，仿真系統界面見圖5，也可以查看運動過程中導彈各參數隨時間的變化情況，如點擊“導彈俯仰角—時間曲線”按鈕可以查看各姿態角隨時間的變化情況(見圖6)，可以看出?=α+θ。

5.3 目標探測與跟蹤功能測試

仿真開始前，先進行轉臺回零，再選擇仿真通道，然后打開攝像頭，可以在交互界面的⑥區看到攝像頭采集的目標圖像(見圖5)，且在目標圖像的中心有十字叉線，那就是目標的質心，點擊“獲取目標位置”按鈕，目標的坐標自動填寫到④區目標的初始運動參數編輯框中。再填寫導彈的初始運動參數和控制器參數、導引系數，然后開始仿真，彈目距離最近時仿真結束。

圖5 系統人機交互界面

圖6 導彈俯仰角、傾角、攻角隨時間變化曲線

6 結 語

本文基于Simulink與VC++混合編程開發的導彈制導控制半實物仿真教學系統，具有友好的人機交互界面，可以實時顯示參數變化及軌跡曲線，分別改變控制參數和導引

參數可以進行控制規律和比例導引規律的驗證。該系統將已有硬件與專業課程實驗相結合，充分開發了已有硬件的功能，涉及多種專業知識點，不僅能夠激發學生對專業課學習的興趣，而且能夠使他們在實驗中深化對專業知識的理解。

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Design of Missile Guidance and Control Hardware in the Loop Simulation Experiment System

YUXiuping,LIUTao,WUXinfeng,ZHANGHaoyu

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In order to detect the need of guidance and control technology undergraduate study and experiment teaching, based on the two axis turntable photoelectric tracking system, we designed a teaching platform for missile guidance and control course with an in-loop simulation experiment. The platform is with two axis turntable as physical objects, the PC and motion controller as control platform. Through the turntable motion control library functions, position and speed control of turntable yaw pitch axis and axis is realized. By using Simulink visualization interface, kinematics and dynamics models of a missile are established. Inner loop attitude control loop and outer loop guidance loop are completed. With RTW technology, the model is transformed into code, after joining the I/O interface, the turntable is put into the circuit to carry out the in-loop simulation. The test results show that the system has a good teaching effect in the student experiment.

missile guidance and control; hardware in the loop simulation; Simulink; motion control; teaching experiment platform

2016-05-30

國家自然科學基金項目(51409059)，黑龍江省自然科學基金資助項目 (F201342)

于秀萍(1963-)，女，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，主要從事飛行器控制方向的研究。

Tel.:13069897936; E-mail: yuxiuping@hrbeu.edu.cn

劉 濤(1979-)，男，遼寧法庫人，博士，講師，從事飛行器控制系統仿真方面的研究。

Tel.:13836030076; E-mail: liutao@hrbeu.edu.cn

TJ 365

A

1006-7167(2017)02-0094-04