水下自主航行器半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李 和

(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京 100080)

0 引言

水下自主航行器是攻擊潛艇、航母、水面艦艇、岸基設(shè)施的有力武器。作為一次性使用武器,水下自主航行器的航行性能品質(zhì)至關(guān)重要。水下航行器實(shí)航試驗(yàn)是對其技術(shù)性能指標(biāo)最可靠的考核手段,要想全面的檢驗(yàn)水下航行器的性能必須進(jìn)行大量的實(shí)航試驗(yàn)。但是由于受到試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、時(shí)間及其他條件的制約,試驗(yàn)次數(shù)是有限的。因此,憑借有限條次的實(shí)航試驗(yàn)所得出的結(jié)論其可信度通常是比較低的。為了減少在實(shí)際使用中的故障和損失,在水下航行器項(xiàng)目的指標(biāo)論證、方案設(shè)計(jì)、設(shè)備研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)、部隊(duì)訓(xùn)練等全生命周期,均采用了仿真測試技術(shù),對產(chǎn)品性能指標(biāo)進(jìn)行綜合全面的考核[1]。目前,仿真技術(shù)已經(jīng)成為水下航行器研制和實(shí)驗(yàn)中的先導(dǎo)技術(shù)、校驗(yàn)技術(shù)和分析技術(shù)。

1 總體設(shè)計(jì)

智能聲制導(dǎo)水下航行器是水下自主航行器發(fā)展的主要方向之一,它由自導(dǎo)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成,兩大系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作,完成對目標(biāo)的搜索、捕獲、跟蹤和攻擊。仿真系統(tǒng)可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下,對自導(dǎo)-控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作進(jìn)行調(diào)試和考察。該系統(tǒng)主要包括回波信號的仿真、水聲環(huán)境仿真、水下航行器流體動力仿真、傳感器仿真、水下航行器和目標(biāo)的運(yùn)動學(xué)仿真等。通過模擬水下航行器實(shí)航時(shí)自導(dǎo)、控制系統(tǒng)工作環(huán)境,考察自導(dǎo)系統(tǒng)和自導(dǎo)-控制兩大系統(tǒng)的聯(lián)合工作狀態(tài),避免相互產(chǎn)生反饋式交聯(lián),并分析彈道的穩(wěn)定性。

仿真系統(tǒng)采用機(jī)械對接的辦法傳遞水下環(huán)境和目標(biāo)數(shù)據(jù)[2]。硬件包括目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)、控制仿真計(jì)算機(jī)、彈道顯示計(jì)算機(jī)、顯控計(jì)算機(jī)、聲耦合對接裝置(對接陣)、PCI數(shù)據(jù)輸出卡、D/A 轉(zhuǎn)換設(shè)備、施矩器、力矩D/A和負(fù)載模擬器。為了在湖海試驗(yàn)中仿真設(shè)備便于隨產(chǎn)品轉(zhuǎn)移和使用,其中的施矩器、力矩D/A、負(fù)載模擬器可以用仿真模型代替,將模型軟件加入到控制仿真計(jì)算機(jī)。在接收水下航行器控制系統(tǒng)的舵令后,控制仿真計(jì)算機(jī)產(chǎn)生傳感器信號并反饋給水下航行器控制系統(tǒng)。

軟件設(shè)計(jì)充分考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可能性,采用了自頂向下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法,使程序結(jié)構(gòu)清楚、可靠性好,便于編寫和調(diào)試。從發(fā)射、搜索、捕獲、跟蹤到攻擊目標(biāo),根據(jù)不同的水下環(huán)境和目標(biāo)特征,水下航行器采用不同的搜索、捕獲、跟蹤和攻擊策略,分支條件多,信號處理強(qiáng)度大,水下彈道復(fù)雜,為滿足水下自主航行器的調(diào)試和測試需要,仿真系統(tǒng)提供文本格式的參數(shù)錄入和參數(shù)自動記錄的功能。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工作時(shí)將水下航行器實(shí)物(自導(dǎo)頭和電子艙—自導(dǎo)控制系統(tǒng))加入仿真回路,組成半實(shí)物的仿真系統(tǒng)。仿真過程中,目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)用于產(chǎn)生水下環(huán)境和目標(biāo)回波信號;控制仿真計(jì)算機(jī)根據(jù)水下航行器的流體動力特性,模擬水下航行器各種運(yùn)動過程;彈道顯示計(jì)算機(jī)用于顯示水下航行器和目標(biāo)在水下的運(yùn)動狀態(tài);舵負(fù)載模擬機(jī)模擬水流對舵面的作用,根據(jù)控制機(jī)發(fā)出的操舵指令以及航行參數(shù)計(jì)算出舵軸所受負(fù)載力矩,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后通過施矩器向舵軸施加力矩;顯控計(jì)算機(jī)是仿真試驗(yàn)過程的控制樞紐,通過人機(jī)交互界面,設(shè)定仿真試驗(yàn)參數(shù),監(jiān)視和控制仿真進(jìn)程,提供系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)、同步功能,顯示航行器、目標(biāo)及仿真系統(tǒng)的狀態(tài)及參數(shù)。顯控計(jì)算機(jī)、目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)、彈道顯示計(jì)算機(jī)和電子艙之間通過局域網(wǎng)進(jìn)行通訊,傳送數(shù)據(jù)[3]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 對接陣設(shè)計(jì)

目前水下航行器仿真信號輸入主要采用三種方法:直接水聲物理場法、數(shù)字信號導(dǎo)入法、機(jī)械對接法[2]。

綜合考慮經(jīng)費(fèi)、時(shí)間和使用環(huán)境等因素,本系統(tǒng)采用機(jī)械對接法。通過將仿真系統(tǒng)的對接陣和水下航行器聲基陣機(jī)械對接,傳遞水下航行器在水下接收到的噪聲和目標(biāo)信號。

對接陣由聲對接換能器基陣和對接、定位、加壓等機(jī)械裝置組成。對接陣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 對接陣結(jié)構(gòu)圖

2.2 D/A轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)

D/A轉(zhuǎn)換裝置基于 Windows2000操作系統(tǒng)和PCI總線,使用Visual C++作為開發(fā)平臺,能夠提供多通道同步連續(xù)水聲陣列信號,單通道D/A變換器采樣頻率高達(dá)200kHz,采樣精度14bit。

D/A轉(zhuǎn)換裝置包括PCI數(shù)據(jù)輸出卡和D/A變換卡。

1)PCI數(shù)據(jù)輸出卡

PCI數(shù)據(jù)輸出卡是一個(gè)帶有1536KB FIFO的通用PCI卡,在 Windows 2000操作系統(tǒng)下,它能以16MB/s的速度連續(xù)輸出數(shù)據(jù)。圖3是PCI數(shù)據(jù)輸出卡的結(jié)構(gòu)框圖,整個(gè)PCI數(shù)據(jù)輸出卡包括PCI接口、大容量FIFO存儲器和驅(qū)動器3個(gè)模塊。

圖3 PCI數(shù)據(jù)輸出卡結(jié)構(gòu)框圖

·PCI接口模塊

PCI接口模塊由 PCI9052和配置 EEPROM 93LC46組成。它可作為PCI總線的從設(shè)備,支持32位數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸。

·存儲器模塊

由CPLD器件EPM7128SQC100和4片F(xiàn)IFO器件AL422B組成。4片AL422B通過寬度擴(kuò)展成384K x 32的FIFO存儲器。

2)D/A變換卡設(shè)計(jì)

D/A變換卡的結(jié)構(gòu)框圖如圖 4所示,CPLD是D/A變換卡的控制核心,它接收PCI數(shù)據(jù)輸出卡的數(shù)據(jù),并以此為依據(jù)控制DA模塊工作;D/A變換模塊負(fù)責(zé)初始模擬信號生成,放大平滑濾波模塊控制輸出信號的量程并實(shí)現(xiàn)平滑濾波。

圖4 D/A變換卡結(jié)構(gòu)框圖

·CPLD設(shè)計(jì)

CPLD是D/A板的控制核心,采用Altera公司的EPM7256SRC208-10,由它接收PCI數(shù)據(jù)輸出卡的數(shù)據(jù),并控制DA模塊工作。

·D/A模塊

D/A芯片選擇TI公司的DAC2904,14bit精度,125MSBS采樣率,在WRT信號的上升沿,D/A數(shù)據(jù)送入輸入緩沖區(qū),在WRT信號的下降沿,D/A數(shù)據(jù)送入輸出緩沖區(qū),在DA_CLK的上升沿,完成D/A變換。

·放大平滑濾波模塊

DAC2904輸出為-1～1V階躍型波,通過放大平滑濾波模塊調(diào)整成-5～+5V的平滑正弦波。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿真軟件分別運(yùn)行在仿真系統(tǒng)顯控計(jì)算機(jī)、目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)、彈道顯示計(jì)算機(jī)上。軟件設(shè)計(jì)中采用了自頂向下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法[1],使程序結(jié)構(gòu)清楚、可靠性好,便于編寫和調(diào)試。仿真軟件層次結(jié)構(gòu)如下:

1)運(yùn)行在顯控計(jì)算機(jī)上的軟件層次結(jié)構(gòu)是:

第一層,初始化,建立顯控計(jì)算機(jī)和目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)、控制仿真計(jì)算機(jī)、彈道顯示計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接,此時(shí)仿真系統(tǒng)各臺計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用軟件啟動,等待顯控計(jì)算機(jī)的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①仿真系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試控制模塊;

②仿真系統(tǒng)動態(tài)調(diào)試控制模塊;

③仿真系統(tǒng)自導(dǎo)控制聯(lián)合調(diào)試控制模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①仿真參數(shù)及狀態(tài)設(shè)定模塊;

②網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊;

③網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收模塊;

④仿真狀態(tài)及參數(shù)顯示模塊;

⑤仿真結(jié)果數(shù)據(jù)存儲模塊;

⑥水下航行器和目標(biāo)運(yùn)動圖形顯示模塊;

⑦計(jì)時(shí)與時(shí)鐘顯示模塊。

2)運(yùn)行在目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)上的軟件層次結(jié)構(gòu)是:

第一層,初始化,完成D/A轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)備初始化和啟動,完成仿真計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備,建立和顯控計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接,等待顯控計(jì)算機(jī)的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①仿真狀態(tài)及參數(shù)讀取模塊;

②網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊;

③網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收模塊;

④信號產(chǎn)生模塊;

⑤信號發(fā)送模塊;

⑥仿真狀態(tài)及參數(shù)實(shí)時(shí)顯示模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①水下航行器自噪聲信號仿真模塊;

②目標(biāo)噪聲信號仿真模塊;

③混響信號仿真模塊;

④目標(biāo)回波信號仿真模塊;

⑤干擾信號仿真模塊;

⑥多普勒速度計(jì)算模塊。

3)運(yùn)行在控制仿真計(jì)算機(jī)上的軟件層次結(jié)構(gòu)是:

第一層,初始化,啟動航行監(jiān)測模塊,完成內(nèi)測記錄初始化,建立和顯控計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接,等待顯控計(jì)算機(jī)的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①仿真狀態(tài)及參數(shù)讀取模塊;

②網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊;

③網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收模塊;

④水下航行器流體力學(xué)模型仿真模塊;

⑤傳感器模型仿真模塊;

⑥舵機(jī)模型仿真模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①基元控制器計(jì)算模塊;

②舵令組合計(jì)算模塊;

③姿態(tài)解算計(jì)算模塊;

④目標(biāo)參數(shù)估算和最優(yōu)控制計(jì)算模塊;

⑤隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生函數(shù)模塊;

⑥科學(xué)計(jì)算函數(shù)模塊。

4)運(yùn)行在彈道顯示模擬計(jì)算機(jī)上的軟件層次結(jié)構(gòu)是:

第一層,初始化,設(shè)置彈道圖形界面橫縱坐標(biāo),建立和顯控計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接,等待顯控計(jì)算機(jī)的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①水下航行器和目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)讀取模塊;

②水下航行器和目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)圖形顯示模塊;

③網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收模塊;

④仿真狀態(tài)及參數(shù)實(shí)時(shí)顯示模塊;

⑤水下航行器和目標(biāo)運(yùn)動軌跡存儲模塊;

⑥水下航行器和目標(biāo)運(yùn)動軌跡回放模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①圖形背景設(shè)置模塊;

②圖形坐標(biāo)單位設(shè)置模塊;

③圖形坐標(biāo)尺度設(shè)置模塊;

④圖形繪制模塊;

⑤圖形擦除模塊;

⑥圖形左移模塊;

⑦圖形右移模塊。

其中,顯控計(jì)算機(jī)、目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)、控制仿真計(jì)算機(jī)、彈道顯示計(jì)算機(jī)使用Windows 2000操作系統(tǒng),仿真軟件在Microsoft Visual Studio 2005集成環(huán)境下研制開發(fā)。自導(dǎo)和控制軟件使用VxWorks操作系統(tǒng),上面運(yùn)行的水下航行器軟件在 TORNADO集成環(huán)境下研制開發(fā)。

圖5顯示的是整個(gè)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖。

圖5 仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

水下航行器半實(shí)物仿真系統(tǒng)是將水下航行器的工作環(huán)境、目標(biāo)類型、海洋環(huán)境、人工干擾抽象成數(shù)學(xué)模型,并把水下航行器制導(dǎo)系統(tǒng)引入仿真回路中,采用適當(dāng)?shù)姆抡嫠惴?模擬航行器在水下尋的、跟蹤和攻擊目標(biāo)的全過程,從而達(dá)到評價(jià)水下航行器制導(dǎo)系統(tǒng)的目的。本系統(tǒng)為水下航行器自導(dǎo)控制系統(tǒng)提供了調(diào)試和測試平臺。

1)該系統(tǒng)模擬水下航行器自噪聲、目標(biāo)噪聲、體積混響、海面混響、海底混響、目標(biāo)回波信號、干擾信號,軟件功能完善。

2)該系統(tǒng)模擬水下環(huán)境和目標(biāo)特征,具備仿真多亮點(diǎn)目標(biāo)的功能。

3)該系統(tǒng)綜合平衡仿真模型的精度要求和計(jì)算強(qiáng)度之間的矛盾,在滿足水下航行器仿真精度的前提下,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真。

4)該系統(tǒng)具有友好的圖形化用戶界面,輸入方便,輸出清晰,仿真結(jié)果可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行存儲和回放。

5)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,功能完備,使用方便。

6)該系統(tǒng)使用的對接陣裝置為自主研發(fā),在聲學(xué)性能上具有工作頻帶寬、陣元耦合小、陣元之間相位和幅度一致性好的特點(diǎn)。

7)該系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換裝置能夠完成單通道每秒200kHz的數(shù)字-模擬信號轉(zhuǎn)換,多通道數(shù)據(jù)同步轉(zhuǎn)換,信號連續(xù)流暢,保證了聲基陣接收信號的品質(zhì)。

5 結(jié)論

文中介紹的水下航行器制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)已成功地運(yùn)用于某型水下航行器的實(shí)驗(yàn)室調(diào)試和湖海試驗(yàn)。試驗(yàn)證明該仿真系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)合理先進(jìn),操作靈活方便,仿真精度高,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]康鳳舉.現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[2]王恒霖,曹建國.仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[3]康鳳舉,何紅軍,李皓,等.水下航行器系統(tǒng)分布交互仿真技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2001,13(2):150-152.