基于Scilab/Linux RTAI的探空火箭半實(shí)物仿真平臺(tái)研究①

李勇波，潘 濤，崔建鵬，張 輝

(中國航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所，西安 710025)

0 引言

半實(shí)物仿真，又稱“硬件在環(huán)仿真”，是指將實(shí)物部件引入仿真回路，取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型，降低了建模難度，也克服了干擾因素的影響。半實(shí)物仿真技術(shù)是在二戰(zhàn)后逐漸發(fā)展起來的，它結(jié)合了數(shù)字仿真的靈活性和物理仿真的精確性，以成本低、見效快、可信度高的優(yōu)勢(shì)[1]，廣泛應(yīng)用于航空航天、控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等領(lǐng)域。

目前，國內(nèi)外主流的半實(shí)物仿真平臺(tái)[2-7]主要有dSPACE、RT-LAB、RTX、xPCTarget等，它們都是利用商業(yè)軟件Matlab/Simulink進(jìn)行前端建模，在Windows系統(tǒng)下通過RTW自動(dòng)代碼生成技術(shù)將模型編譯為可在Vxworks/QNX等實(shí)時(shí)環(huán)境運(yùn)行的可執(zhí)行代碼。這些平臺(tái)固然性能強(qiáng)大、接口豐富、穩(wěn)定性高，但存在著源代碼封閉、定制性不強(qiáng)、核心功能更改難度大、軟件升級(jí)成本高等不足。近年來，Linux系統(tǒng)發(fā)展迅速，其擁有開放源碼、性能穩(wěn)定、內(nèi)核可裁剪等優(yōu)勢(shì)，但實(shí)時(shí)性不盡人意，不能直接用于半實(shí)物仿真，需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)化改進(jìn)。

本文研究了在Linux系統(tǒng)下利用開源軟件Scilab/Xcos[8]進(jìn)行前端建模，采用雙內(nèi)核實(shí)時(shí)化方案搭建Linux RTAI[9]實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，通過RTAI-LAB[10]將數(shù)學(xué)模型編譯為實(shí)時(shí)代碼，并下載到搭建好的Linux RTAI實(shí)時(shí)環(huán)境下運(yùn)行，完成某型探空火箭半實(shí)物仿真試驗(yàn)的技術(shù)方案。所用軟件均為開源軟件，源碼開放可修改且硬件成本低，降低了半實(shí)物仿真平臺(tái)開發(fā)成本，滿足半實(shí)物仿真試驗(yàn)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，且二次開發(fā)性強(qiáng)，不局限于某一種彈箭。

1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)方案

基于Scilab/Linux RTAI的某型探空火箭半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含綜控計(jì)算機(jī)、仿真計(jì)算機(jī)、接口計(jì)算機(jī)、仿真設(shè)備、VMIC光纖反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)、參試實(shí)物部件等，主要部件功能如下：綜控計(jì)算機(jī)是整個(gè)仿真系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)仿真節(jié)點(diǎn)資源配置、狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，及試驗(yàn)后數(shù)據(jù)分析。

圖1 基于Scilab/Linux RTAI的探空火箭半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真計(jì)算機(jī)是本文研究的重點(diǎn)，采用上下層結(jié)構(gòu)，上層的Scilab/Xcos軟件和Xrtailab軟件運(yùn)行于Linux環(huán)境，分別負(fù)責(zé)模型的建立和變量監(jiān)控、參數(shù)在線調(diào)整；根據(jù)仿真模型自動(dòng)生成的實(shí)時(shí)代碼運(yùn)行于下層Linux RTAI實(shí)時(shí)環(huán)境，主要負(fù)責(zé)火箭仿真模型的實(shí)時(shí)解算及分離信號(hào)輸出、舵機(jī)反饋信號(hào)采集、時(shí)序信號(hào)采集等實(shí)時(shí)I/O處理。

接口計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)參試實(shí)物部件的非實(shí)時(shí)信號(hào)及CAN總線、串口通信流信號(hào)處理，如模擬測(cè)發(fā)控、仿真數(shù)據(jù)注入、遙測(cè)信息解析等，并通過VMIC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)仿真模型與參試部件的信息交互。

仿真設(shè)備包括三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、五軸轉(zhuǎn)臺(tái)、舵機(jī)負(fù)載臺(tái)等，負(fù)責(zé)通過VMIC網(wǎng)絡(luò)讀取火箭仿真模型實(shí)時(shí)解算結(jié)果，為火箭測(cè)量裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供真實(shí)物理環(huán)境。

VMIC光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)綜控計(jì)算機(jī)、仿真計(jì)算機(jī)、接口計(jì)算機(jī)和仿真設(shè)備之間的信息交互，具有通信時(shí)延小、共享內(nèi)存空間大、傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。

參試實(shí)物部件主要有舵機(jī)、飛控計(jì)算機(jī)、慣性測(cè)量組件、GPS等。

2 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

為減少各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失，本文采用Linux RTAI實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境+VMIC網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，VMIC的傳輸延遲小于700 ns，遠(yuǎn)小于仿真步長1 ms，最大程度減少了數(shù)據(jù)丟失。

2.1 仿真建模環(huán)境

CACSD(Computer Aided Control System Design)軟件采用Scilab/Xcos，Scilab是一種由法國學(xué)者開發(fā)的類似于Matlab的開源軟件，Xcos是Scilab的一個(gè)工具箱，是Simulink等進(jìn)行圖形化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真的唯一開源代替軟件。半實(shí)物仿真是Xcos在模塊開發(fā)和代碼生成的主要應(yīng)用，可通過為接口控制和測(cè)量裝置創(chuàng)建特殊的Xcos模塊以進(jìn)行半實(shí)物仿真。用戶可自行開發(fā)所需模塊并加載到Xcos模塊庫或下載互聯(lián)網(wǎng)其他用戶的共享模塊。

2.2 RTAI自動(dòng)化代碼生成技術(shù)

RTAI(Real-time application interface)是一套用來寫實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的系統(tǒng)界面。RTAI-LAB是以RTAI為基礎(chǔ)開發(fā)的一套開源實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工具鏈，提供了RTAI和數(shù)據(jù)采集卡的接口。

根據(jù)接口模塊的特性自定義RTAI接口模塊；將模塊拖放到利用Scilab/Xcos建立的火箭數(shù)學(xué)仿真模型中，利用RTAI-LAB將模型編譯成可在Linux RTAI實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境執(zhí)行的實(shí)時(shí)代碼，這些代碼相當(dāng)于實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境的一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，原理如圖2所示。

圖2 仿真計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

2.3 Linux RTAI實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境

由于仿真過程中有實(shí)物接入仿真回路，故仿真時(shí)鐘必須與真實(shí)物理時(shí)鐘同步，為此需要構(gòu)建Linux RTAI實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境。

2.3.1 雙內(nèi)核實(shí)時(shí)化方案

雙內(nèi)核實(shí)時(shí)化方案即在普通Linux系統(tǒng)的最底層增加一層RTAI實(shí)時(shí)核心，實(shí)質(zhì)是把Linux內(nèi)核當(dāng)作一個(gè)運(yùn)行在RTAI內(nèi)核的普通進(jìn)程，其軟件架構(gòu)如圖3所示。通過Adeos[11]來建立RTAI和Linux的硬件共享環(huán)境，Adeos是在底層硬件與操作系統(tǒng)之間插入的Linux內(nèi)核補(bǔ)丁。

圖3 Linux RTAI軟件架構(gòu)

在Linux RTAI軟件架構(gòu)中，RTAI是Adeos的上層域，作為根域的Linux優(yōu)先級(jí)低于RTAI，故當(dāng)有實(shí)時(shí)任務(wù)產(chǎn)生時(shí)，Adeos先調(diào)度RTAI處理該任務(wù)，Linux根域僅在RTAI沒有實(shí)時(shí)任務(wù)或中斷需要處理時(shí)才會(huì)發(fā)生，從而保障Linux RTAI雙核實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)性。

2.3.2 Linux RTAI實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境的搭建

搭建Linux RTAI實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境的具體步驟如下：

(1)準(zhǔn)備工作

下載Scilab 5.5.2版本，RTAI 5.2版本，對(duì)RTAI內(nèi)核進(jìn)行解壓，查看其所支持的Linux Kernel版本并在官網(wǎng)下載，本文選用的Linux Kernel版本為4.9.135。

(2)雙內(nèi)核法建立Linux RTAI實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境

主要包括6步，分別是解壓Linux內(nèi)核、給Linux內(nèi)核打補(bǔ)丁、配置Linux內(nèi)核、編譯安裝Linux內(nèi)核、配置安裝RTAI、安裝RTAI-Lab相關(guān)插件。關(guān)鍵代碼為：

# tar-jxvf linux-4.9.135.tar.gz

# make mrproper

# cd/usr/src/linux-4.9.135

# patch-Npl

# make menuconfig

# make-j4

# make install

# make modules_install

(3)實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境的測(cè)試

采用testsuite工具測(cè)試所搭建實(shí)時(shí)環(huán)境的內(nèi)核空間的中斷延遲時(shí)間、調(diào)度器延遲時(shí)間、調(diào)度器運(yùn)行延遲時(shí)間等實(shí)時(shí)性指標(biāo)[12]，如表1所示。

由表1可知，搭建的Linux RTAI雙核實(shí)時(shí)環(huán)境的最大時(shí)延為17 μs左右，遠(yuǎn)小于普通Linux系統(tǒng)的28 ms[13]，降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，相比Vxworks和Xenomai 也有所縮短，可滿足實(shí)時(shí)仿真的需求。

表1 Linux RTAI實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)性測(cè)試

2.4 實(shí)時(shí)接口技術(shù)

本節(jié)開發(fā)了VMIC的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)程序和實(shí)時(shí)接口模塊，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)程序用于滿足模型與實(shí)物間通信對(duì)驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)性的要求，實(shí)時(shí)接口模塊用于VMIC和數(shù)學(xué)模型之間的通信[14]。

2.4.1 驅(qū)動(dòng)程序和接口模塊在系統(tǒng)中的作用

由于普通Linux驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)性較差，故自行開發(fā)了RTAI下的VMIC驅(qū)動(dòng)程序，VMIC驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行于Linux RTAI實(shí)時(shí)環(huán)境；RTAI自帶的RTAI-lib模塊庫可分為兩類，一類是Scilab realtime lib庫，如可在實(shí)時(shí)環(huán)境下運(yùn)行的增益模塊gain模塊等；另一類是RTAI realtime lib庫，如示波器模塊rtai_scope等，但缺少VMIC反射內(nèi)存卡與模型通信的模塊，故自行開發(fā)了VMIC實(shí)時(shí)接口模塊。二者在系統(tǒng)中的位置見圖4。

圖4 驅(qū)動(dòng)程序和實(shí)時(shí)接口模塊在系統(tǒng)中的作用

2.4.2 VMIC驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

驅(qū)動(dòng)程序包括頭文件和主程序，頭文件中聲明了驅(qū)動(dòng)程序用到的重要變量，加載了主函數(shù)調(diào)用的動(dòng)態(tài)模塊庫等。本文主要定義了3個(gè)頭文件：(1)rtvmic.h：包括數(shù)據(jù)偏移量offset、數(shù)據(jù)長度length及緩沖區(qū)buffer；(2)rtvmic_driver.h：定義了變量的數(shù)據(jù)類型及rtvmic設(shè)備信息的結(jié)構(gòu)體等；(3)rtvmic_5565_pci.h：VMIC卡節(jié)點(diǎn)的最大最小地址、DMA通道、擴(kuò)展地址、擴(kuò)展中斷等。

與用戶訪問內(nèi)存不同，訪問VMIC卡分兩步，第一步是在Linux層，從PCI總線上尋找VMIC設(shè)備，通過編寫rt_vmic_5565_pci.c( )函數(shù)來實(shí)現(xiàn)；第二步是讀取設(shè)備信息，進(jìn)行RTAI層面的配置，通過編寫rtvmic_driver.c( )函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

(1)rt_vmic_5565_pci.c：定義了靜態(tài)結(jié)構(gòu)體變量rt_ge_5565_pci_table{ }描述VMIC設(shè)備信息，定義了GetPciSpaceSize( )函數(shù)尋找PCI總線空間大小，定義了rt_ge_5565_pci_probe( )函數(shù)讀取VMIC板上的PCI物理地址及寄存器狀態(tài)；定義了rt_ge_5565_pci_remove( )函數(shù)清除內(nèi)存的數(shù)據(jù)。

(2)rtvmic_driver.c：包括5個(gè)函數(shù)，分別是rt_vmic_open( )函數(shù)用于打開VMIC設(shè)備；rt_vmic_init( )函數(shù)用于初始化驅(qū)動(dòng)；rt_vmic_ioctrl( )函數(shù)用于控制I/O信號(hào)流，寫入是將信號(hào)流寫入buffer中，讀取是從buffer中讀取信號(hào)流；rt_vmic_exit( )函數(shù)用于退出驅(qū)動(dòng)；rt_vmic_close( )用于關(guān)閉設(shè)備。

2.4.3 VMIC實(shí)時(shí)接口模塊的開發(fā)

實(shí)時(shí)接口模塊是Xcos模型的一部分，通過設(shè)備文件實(shí)現(xiàn)用戶空間與內(nèi)核空間的通信。自定義接口模塊包括自定義接口函數(shù)和自定義計(jì)算函數(shù)。

接口函數(shù)作為用戶空間與Scilab的交互界面，用于處理用戶接口，指定模塊外觀與類型、數(shù)據(jù)和事件的輸入輸出個(gè)數(shù)等，必須用Scilab語言編寫，返回值依賴于輸入標(biāo)記job，以VMIC-PCI5565讀操作為例，其接口函數(shù)格式如下：

function[x,y,typ]=vmic_read_pci5565(job,arg1,arg2)

計(jì)算函數(shù)定義了模塊在仿真過程中的行為，以不同的方式被Xcos調(diào)用，主要包括初始化(flag=4)、輸出更新(flag=1)、結(jié)束(flag=5)等，flag標(biāo)記了計(jì)算函數(shù)必須完成的任務(wù)。采用C語言編寫，以VMIC-PCI5565讀操作為例，主函數(shù)中定義了init函數(shù)、inout函數(shù)、end函數(shù)。計(jì)算函數(shù)格式如下：

#include“scicos_block.h”

#include “rtmain.h”

void vmic_read_pci5565(scicos block *block, int flag) init(block); inout(block); end(block); }

接口函數(shù)和計(jì)算函數(shù)定義完畢后，將其封裝成模塊，如圖5所示。當(dāng)模型運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)接口模塊調(diào)用RTAI下VMIC驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)加載VMIC的驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備文件關(guān)聯(lián)后，接口模塊就可以通過此設(shè)備文件對(duì)VMIC反射內(nèi)存卡進(jìn)行操作。

圖5 自定義VMCI-PCI5565接口模塊

2.5 節(jié)點(diǎn)同步方式和同步精度

由綜控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)更新全局時(shí)鐘，仿真計(jì)算機(jī)、仿真設(shè)備等節(jié)點(diǎn)在每個(gè)定時(shí)周期內(nèi)讀全局時(shí)鐘，并以此更新各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘。仿真初始化時(shí)，全局時(shí)鐘和各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘均置零；仿真開始后，全局時(shí)鐘由綜控計(jì)算機(jī)累加仿真步長，節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘檢測(cè)到全局時(shí)鐘不為零時(shí)就開始累計(jì)仿真步長；由綜控計(jì)算機(jī)進(jìn)行判斷，當(dāng)每100 s全局時(shí)鐘和節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘相差大于2 ms時(shí)，停止仿真。

2.6 仿真模型監(jiān)控

在RTAI的另一個(gè)工具包Xrtailab中利用RTAI-LAB提供的RTAI-SCOPE等變量監(jiān)視模塊，對(duì)仿真模型進(jìn)行可視化監(jiān)控和在線調(diào)參，如圖6所示。建模主機(jī)和目標(biāo)機(jī)在同一仿真計(jì)算機(jī)上，故Xrtailab與目標(biāo)機(jī)的通信方式采用本地通信。

圖6 Xrtailab監(jiān)控界面

2.7 硬件方案

考慮到計(jì)算性能和速度及I/O接口的擴(kuò)展能力，仿真計(jì)算機(jī)采用研華工控機(jī)，四核，主頻2.5 GHz。仿真平臺(tái)提供4路模擬量采集輸入、1路開關(guān)信號(hào)采集、1路開關(guān)信號(hào)輸出和2路RS422串口通信接口。PCI數(shù)據(jù)采集卡采用NI-PCI6229，32通道16位最高100 kHz采樣，16路隔離DI和16路隔離DO；光纖反射內(nèi)存卡采用VMIC-PCI5565，內(nèi)存為256 M。

3 半實(shí)物仿真試驗(yàn)與分析

3.1 仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)性能

半實(shí)物仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)性直接影響仿真時(shí)序控制和仿真結(jié)果的置信度，實(shí)時(shí)性能參數(shù)有定時(shí)精度、單步仿真耗時(shí)和時(shí)鐘漂移量[15]。對(duì)本文搭建的平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)性測(cè)試，得到實(shí)時(shí)性能參數(shù)如圖7所示。

( Simulation step size

由圖7可見，僅有小概率出現(xiàn)的幾次單個(gè)仿真步長大于1 ms且不超過1.05 ms；單步仿真耗時(shí)不超過0.2 ms，相比文獻(xiàn)[15]的0.35 ms有所縮短，嚴(yán)格小于設(shè)定的1 ms；時(shí)鐘漂移最大為25 μs，偏差率滿足要求。以上3個(gè)實(shí)時(shí)性能參數(shù)表明本文設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真平臺(tái)可以滿足仿真步長為1 ms的半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)性要求，實(shí)時(shí)性良好。

3.2 仿真結(jié)果

分別利用本文設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真平臺(tái)和現(xiàn)有的Simulink/RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)同一型號(hào)探空火箭進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果對(duì)比曲線見圖8。

由圖8可見，該仿真平臺(tái)的半實(shí)物仿真結(jié)果與Simulink/RT-LAB仿真平臺(tái)下的仿真結(jié)果一致性很好，驗(yàn)證了所搭建的半實(shí)物仿真平臺(tái)的可靠性和穩(wěn)定性。

( Range and altitude

4 結(jié)論

(1)為保證整個(gè)半實(shí)物仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)性，采用雙內(nèi)核實(shí)時(shí)化方案搭建了Linux RTAI雙核實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境作為實(shí)時(shí)代碼的運(yùn)行環(huán)境，并測(cè)試了其實(shí)時(shí)性能，結(jié)果表明其最大時(shí)延相比普通Linux系統(tǒng)降低了三個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)為保證硬件設(shè)備與模型實(shí)時(shí)信息交流的實(shí)時(shí)性，開發(fā)了VMIC-PCI5565的驅(qū)動(dòng)程序和實(shí)時(shí)接口模塊，實(shí)現(xiàn)了外部硬件和內(nèi)部模型的實(shí)時(shí)交互。

(3)測(cè)試了整個(gè)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)性相對(duì)其他平臺(tái)有所提升；成功進(jìn)行了某型探空火箭的半實(shí)物仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果相比Simulink/RT-LAB平臺(tái)一致性很好。

本文搭建的半實(shí)物仿真平臺(tái)主要有以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：(1)實(shí)時(shí)性有所提升，單步仿真耗時(shí)不超過0.2 ms；(2)所用軟件均為開源軟件，擴(kuò)展性強(qiáng)、源代碼開放可修改、開發(fā)成本低；(3)有良好的二次開發(fā)能力，針對(duì)但不局限于某一種彈箭，可利用RTAI開源特性，開發(fā)相關(guān)實(shí)時(shí)接口模塊和驅(qū)動(dòng)程序，添加相應(yīng)支持模塊即可擴(kuò)展仿真平臺(tái)的應(yīng)用范圍。可為火箭、導(dǎo)彈的半實(shí)物仿真試驗(yàn)提供一種新平臺(tái)，對(duì)火箭、導(dǎo)彈的研制和試驗(yàn)有重要的價(jià)值。