火炮內(nèi)彈道仿真模型嵌入式開發(fā)研究

張寶棟

摘 要：結(jié)合對(duì)火炮初速減退量進(jìn)行準(zhǔn)確修正的迫切需求，本文對(duì)基于Simulink仿真模型的MBD開發(fā)流程進(jìn)行了研究，根據(jù)已建立好的火炮燒蝕磨損內(nèi)彈道仿真模型，對(duì)自動(dòng)生成代碼進(jìn)行了參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)了仿真模型代碼的自動(dòng)生成，減少了系統(tǒng)開發(fā)周期，為模型的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)彈道模型；自動(dòng)代碼生成

1引言

基于模型設(shè)計(jì)的開發(fā)流程，開發(fā)人員在Simulink環(huán)境下建立仿真模型并進(jìn)行仿真，進(jìn)行早期設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，當(dāng)仿真結(jié)果符合開發(fā)要求時(shí)，使用Embedded Coder技術(shù)可自動(dòng)生成嵌入式的產(chǎn)品級(jí)代碼，應(yīng)用于硬件平臺(tái)上。克服了傳統(tǒng)手工編碼開發(fā)周期長、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且經(jīng)常引入錯(cuò)誤以及不易于保持MATLAB參考代碼與C代碼的一致性等缺點(diǎn)，并且可對(duì)代碼進(jìn)行非實(shí)時(shí)與實(shí)時(shí)環(huán)境下的驗(yàn)證與測試，保證了工程的可靠性和實(shí)時(shí)性，大大提高了嵌入式開發(fā)的效率，加快了開發(fā)進(jìn)程。

2模型參數(shù)配置

以某型125mm高膛壓坦克炮穿甲彈，標(biāo)準(zhǔn)條件下新炮起動(dòng)壓力約為30MPa，常溫初速小于1740m/s，平均最大膛壓小于等于470.4MPa，發(fā)射藥為“**/**H花高”，基于MATLAB中的Simulink庫建立內(nèi)彈道仿真模型，根據(jù)坦克炮（新炮）的內(nèi)彈道相關(guān)參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行仿真，得到在標(biāo)準(zhǔn)條件下坦克炮內(nèi)彈道的仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 某型坦克炮穿甲彈彈丸速度、膛壓仿真曲線

從上圖中可以看出，該型坦克炮穿甲彈彈丸初速約為1721m/s，起動(dòng)壓力約為30MPa，約在3.51ms處達(dá)到最大膛壓464.7MPa，與該炮標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相吻合，證明了內(nèi)彈道模型的可靠性。

3模型代碼生成

建立磨損火炮的內(nèi)彈道仿真模型之后，為實(shí)現(xiàn)模型的工程化應(yīng)用，將內(nèi)彈道模型應(yīng)用硬件系統(tǒng)當(dāng)中，完成射彈初速的計(jì)算功能，需要生成嵌入式代碼。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，提供了三種代碼的自動(dòng)生成工具：MATLAB Coder，Simulink Coder和Embedded Coder，其中，MATLAB Coder可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)MATLAB代碼生成C/C++代碼；Simulink Coder可以自動(dòng)從Simulink/Stateflow模型生成C/C++代碼，但以上兩種工具生成的代碼均不能直接用于嵌入式系統(tǒng)，而Embedded Coder可以自動(dòng)生成可重用、結(jié)構(gòu)緊湊且執(zhí)行快速的實(shí)時(shí)C代碼，故本文利用Embedded Coder工具完后模型代碼的生成工作[1]。

在進(jìn)行代碼生成之前，必須對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行配置，為生成嵌入式代碼，至少需要配置3部分：模型的解算器solver，模型的系統(tǒng)目標(biāo)文件（如ert.tlc或其他自定義的嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)文件），硬件實(shí)現(xiàn)規(guī)定（Hardware Implenmatation）[1]。

求解器solver的設(shè)置，主要包括仿真時(shí)間范圍、起始和停止時(shí)間、仿真步長和選擇合適的仿真解法[2]。具體操作如下：按下Ctrl+E打開模型的Configuration Parameter對(duì)話框，解算器類型選擇固定點(diǎn)解算器，長度為0.01s，求解算法選擇為Runge-Kutta法。對(duì)目標(biāo)硬件規(guī)格（Hardware Implementation）進(jìn)行設(shè)置，在這個(gè)選項(xiàng)卡中可以配置芯片的廠商和類型，設(shè)置芯片的字長、字節(jié)順序等。最后一個(gè)關(guān)鍵的配置是控制整個(gè)代碼生成過程的系統(tǒng)目標(biāo)文件System Target File，ert.tlc文件是Embedded Coder提供的能夠生成專門用于嵌入式系統(tǒng)C代碼的系統(tǒng)目標(biāo)文件，代碼格式是一種專為生成產(chǎn)品級(jí)代碼而設(shè)計(jì)的緊縮型代碼格式，占用的內(nèi)存較少[3]。

4代碼驗(yàn)證

為了驗(yàn)證用于代碼生成的模型與自動(dòng)生成代碼的一致性，在代碼移植在底層驅(qū)動(dòng)前，需要對(duì)代碼進(jìn)行驗(yàn)證，主要是為了避免代碼生成過程中可能引入的錯(cuò)誤，錯(cuò)誤主要來源于兩方面，一是來自于代碼生成工具本身，代碼生成工具作為一款軟件，和其它軟件一樣，都可能存在一定的bug；二是來自于代碼生成用戶，代碼生成過程是一個(gè)可以定制化的過程，如果定制化的過程沒有經(jīng)過嚴(yán)格、充分的驗(yàn)證，也很容易引入bug。因此，為了防止這類bug生成不正確的代碼，在MBD開發(fā)流程中，常用軟件在環(huán)測試（Software-in-the-Loop，SIL）進(jìn)行模型代碼驗(yàn)證。

5結(jié)論

本文通過對(duì)MBD開發(fā)流程進(jìn)行分析，依據(jù)MBD開發(fā)流程，建立了內(nèi)彈道仿真模型，仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相符，證明了模型的準(zhǔn)確性，然后對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行配置，自動(dòng)生成嵌入式代碼，利用SIL軟件在環(huán)仿真，對(duì)代碼進(jìn)行了一致性檢驗(yàn)，為火炮領(lǐng)域仿真模型的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫君瀟，Simulink仿真及代碼生成技術(shù)入門到靜通[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[2]陳亮，郝洪濤，倪凡凡等，雙離合自動(dòng)變速器系統(tǒng)建模與代碼自動(dòng)生成的研究[J].傳動(dòng)技術(shù)，2018，32（2）：3-12.

[3]邱寶梅，左文英，王鳳娟.基于Simulink/RTW的汽車電子控制系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19（5）：1086-1088.