一種應用于多飛行器跟蹤拍攝的控制系統半實物仿真虛擬環境設計與實現

穆 樂，許 謙，亢 銳，駱 斐，范文博

(北京航天自動控制研究所，北京 100854)

0 引言

國內在先進飛行器發展的需求牽引下，對滾仰導引頭控制技術開展了研究，王志偉等、朱明超等分別采用坐標轉換和旋量理論研究了滾仰導引頭跟蹤目標時框架角增量計算方法，根據框架角和探測器誤差角實現滾仰導引頭控制閉環。由于紅外成像制導飛行器的出現，紅外圖像識別跟蹤技術迅速發展，荊文芳、姜錦峰對紅外圖像的檢測、識別跟蹤等技術進行了大量的研究。劉陽等對成像飛行器的目標識別和跟蹤算法進行了研究，通過對比不同幀圖像的特征，將圖像中的目標提取并進行跟蹤。李成等對紅外成像制導飛行器的末端圖像識別與跟蹤進行了研究，選取了高亮區比例、灰度標準偏差、長寬比、緊湊度和復雜度等5個特征量作為目標識別的依據。付曉紅對紅外成像制導飛行器的抗干擾方法和干擾方法進行了研究，將飛行器的圖像識別與跟蹤過程分為4個階段，分別研究每個階段的干擾方法。

目前在跟蹤目標所采用的方法大多是滾仰導引頭控制技術和紅外成像制導技術，由于導引頭在目標識別過程中成本較高，調試復雜度高、試驗周期長直接影響制導算法精度的性能評價。本文基于飛行器在頭體分離后，一子級依靠獨立控制系統，采用圖像測量裝置實現對飛行器的跟拍，使飛行器始終處于視場中心附近，在此應用背景下，設計實現了一種基于頭體相對位置的圖像測量等效裝置的試驗控制系統，應用于飛行器控制半實物仿真試驗。基于頭體相對位置的圖像測量裝置在原有圖像測量裝置硬件的基礎上通過修改信息通道，去掉目標識別過程，增加相對位置輸入通道，解決了以往圖像測量裝置識別過程試驗驗證成本偏大的問題。通過試驗結果表明，圖像測量裝置實物等效器閉路制導仿真試驗技術既逼近了實際應用環境，提高了試驗的真實性和可靠性，又降低了試驗成本。

1 基于頭體相對位置的圖像測量實物等效技術

圖像測量裝置實物等效器狀態半實物仿真試驗系統框架如圖1所示，主要設備包含仿真計算機、綜合控制計算機、綜合控制器和圖像裝置實物等效器。在每個仿真周期，仿真機進行數學模型計算，并得到的慣組等效數據發送至綜合控制計算機和綜合控制器。綜合控制計算機和綜合控制器中的飛行控制軟件利用慣組等效器進行導航、制導和姿控計算，解算伺服指令和發送機控制指令并通過1553總線發送至伺服機構。仿真軟件接收伺服機構擺角，用于下一周期的模型計算，從而完成系統的閉環仿真。其中，仿真機把頭體相對位置信息通過串口傳輸給圖像測量裝置實物等效器，圖像測量裝置則輸出高低角和方位角信息，通過上述閉環跟蹤控制，保證飛行器飛行處于圖像裝置視場中心附近。

圖1 圖像測量裝置實物等效器狀態半實物仿真試驗系統框架圖Fig.1 Frame diagram of physical equivalent state hardware-in-the-loop test system of image measuring device

飛行器體坐標系:坐標原點為飛行器質心，軸位于縱向對稱平面內，平行于地平面指向前方為正，軸位于縱向對稱平面內，垂直于軸指向上方為正，軸由右手法則確定。圖像測量裝置本體坐標系-，其中軸與跟蹤攝像頭光軸平行指向鏡頭前方，軸與安裝法線方向相同，，，軸符合右手坐標系規則。圖像測量裝置坐標系與飛行器體坐標系關系如圖2所示。

圖2 圖像測量裝置坐標系與飛行器體坐標系關系Fig.2 The relation between the coordinate system of image measuring device and the coordinate system of aircraft

2 基于多核多線程的多飛行體并行實時仿真技術

為了滿足圖像測量裝置跟拍仿真試驗需與飛行器仿真試驗同時運行的需求，本文首次使用基于多核多線程的多飛行體并行仿真實時平臺。多飛行體并行實時仿真平臺采用自研的8槽CPCI單系統制導姿控性能指標測試平臺，使用基于Windows 7+RTX2012的實時仿真系統，即在Windows中嵌入RTX實時操作系統的方式實現實時仿真。操作系統為Windows 7，實時環境選擇IntervalZero公司的RTX2012實時擴展模塊實現，并在Microsoft Visual Studio 2010環境下進行仿真軟件開發。劉同栓等、周林雪等提出RTX是目前基于Windows平臺的唯一純軟件的硬實時擴展子系統，在半實物仿真方面得到了廣泛應用。Windows+RTX系統框架如圖3所示。

圖3 Windows+RTX系統框架圖Fig.3 System framework diagram of Windows+RTX

RTX具有良好的CPU親和力，RTX2012該功能更為成熟。RTX可實現多核CPU的資源分配，使不同功能的程序、線程分別運行在不同核上，通過提高CPU利用率增強單一仿真機軟件的能力。施惠豐等提出每個核心既可以作為一個獨立的處理器單獨運行，也可以在操作系統的統一調度下并行處理不同的進程或線程,保障一子級跟拍仿真試驗需與全飛行器仿真試驗同時進行。

基于多核CPU并行實時仿真軟件架構如圖3所示，仿真軟件采用Windows 7+RTX 2012的上下層開發模式，在Microsoft Visual Studio 2010環境設計多線程并行仿真架構。上層軟件為Win32非實時進程，主要用于人機交互、圖像顯示、數據讀寫等實時性要求不高的任務。下層軟件利用RTX 2012分配多核CPU資源，采用專用模式將不同功能的線程設置到不同的CPU核上。通過多線程時鐘設計，保證了并行仿真軟件的實時性。其實現方法是以硬件板卡時鐘為標準時鐘，采用事件對象的方式建立多個線程的時鐘循環體。以同一時鐘源建立具有實時性的多線程仿真軟件，作為開發多飛行體仿真軟件的基礎保障。

實現了多線程并行計算，解決了單核多線程需要根據時間片輪轉調度的并發模式缺陷，實質性提高軟件的任務執行能力，并且嚴格保證了多線程仿真系統的實時性。基于多核CPU并行實時仿真軟件架構如圖4所示。

圖4 基于多核CPU并行實時仿真軟件架構圖Fig.4 Software architecture diagram of parallel real-time simulation based on multi-core CPU

3 試驗結果與分析

仿真試驗系統研制完成后，以該飛行器為對象開展了基于RTX的全流程半實物實時仿真試驗，檢驗從射前測試、發射控制到各段飛行直至飛行結束全發射流程中控制系統運行穩定性和軟硬件的協調匹配性。

圖5和圖6為飛行器在頭體分離后圖像測量裝置實物等效器和數學等效器的俯仰角和偏航角之間的偏差，可以看出數學等效器與實物等效器狀態有差別，原因是實物等效器狀態下給圖測等效器輸入的是飛行器相對于一子級的3個位置量，圖測裝置在接收到位置量考慮尾端面參考面積生成角度的過程中與數學狀態偏差較大導致。但由于控制系統具有較強的魯棒性，能夠抑制干擾影響，將偏差基本控制在±0.005之間。

圖5 偏航偏差Fig.5 Yaw error

圖6 俯仰偏差Fig.6 Pitch error

4 結論

針對多飛行器跟蹤拍攝的控制系統仿真驗證，原有圖像測量裝置及目標模擬器在目標識別過程中試驗成本高、調試復雜程度高的問題，設計實現了一種基于頭體相對位置的圖像測量實物等效裝置。新的圖像測量裝置采用頭體相對位置信息，通過圖像測量裝置計算輸出高低角和方位角信息，解決了導引頭通過成像方式造成的試驗成本大的問題。基于多核多線程的多飛行體并行實時仿真平臺滿足了一子級跟拍仿真試驗與全飛行器仿真試驗同時運行的需求。通過試驗結果表明，圖像測量裝置實物等效、多核多線程的并行實時仿真等閉路制導仿真試驗技術既逼近了實際應用環境，提高了試驗的真實性和可靠性，又降低了試驗成本。