回路硬件仿真技術(shù)在直升機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

回路硬件仿真技術(shù)在直升機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用軟、硬件的并行開發(fā)方法可以加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，但在系統(tǒng)整合時(shí)經(jīng)常消失許多問題，而硬件回路仿真能有效解決這些問題，采納該技術(shù)可以在開發(fā)周期初完成嵌入式軟件仿真。本文以HIL技術(shù)在試驗(yàn)性動(dòng)態(tài)直升機(jī)系統(tǒng)用嵌入式掌握軟件中的應(yīng)用為例闡述該技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)和方法。align=RIGHTVSPACE=12HSPACE=12ALT="圖1:直升機(jī)前視圖和側(cè)視圖。"

設(shè)計(jì)工程師始終在努力縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，而軟硬件并行開發(fā)就是一種比較好的方法。通常這種方法需要多個(gè)獨(dú)立的軟硬件開發(fā)小組參加，這些小組的工作相互間獨(dú)立、并行地進(jìn)行。當(dāng)原型硬件和嵌入式代碼的主要部分實(shí)現(xiàn)后，就可以在系統(tǒng)整合階段將硬件與軟件合并起來并開頭測(cè)試工作。

在系統(tǒng)整合時(shí)常常會(huì)發(fā)生嚴(yán)峻的問題，有些問題甚至?xí)?dǎo)致軟件或硬件的重新設(shè)計(jì)。在問題成堆發(fā)生、成本持續(xù)上升或方案拖延太久的狀況下，有可能中斷設(shè)計(jì)項(xiàng)目，有時(shí)甚至不得不取消項(xiàng)目。因此，人們需要找到更好的方法來解決這些問題。

回路硬件(hardware-in-the-loop，HIL)仿真被證明是一種有效的解決方法。該技術(shù)能確保在開發(fā)周期早期就完成嵌入式軟件的測(cè)試。到系統(tǒng)整合階段開頭時(shí)，嵌入式軟件測(cè)試就要比傳統(tǒng)方法做得更徹底更全面。這樣可以及早地發(fā)覺問題，因此降低了解決問題的成本。

本文所要爭(zhēng)論的就是采納了HIL仿真的一個(gè)嵌入式軟件開發(fā)項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)和測(cè)試試驗(yàn)性動(dòng)態(tài)“直升機(jī)”系統(tǒng)用的嵌入式掌握軟件。有了HIL仿真后，人們無需使用除嵌入式處理器及其I/O接口外的任何硬件就能完成該掌握器軟件的設(shè)計(jì)和測(cè)試。

隨后的實(shí)際系統(tǒng)硬件與運(yùn)行新軟件的嵌入式掌握器的連接首次便獲得勝利。在硬件、軟件整合階段唯一要做的額外工作是對(duì)一些掌握器參數(shù)的少量調(diào)整，這是由于實(shí)際系統(tǒng)硬件與其仿真模型之間究竟存在差異。

直升機(jī)系統(tǒng)

本項(xiàng)目需要開發(fā)適合Quanser3自由度(3DOF)直升機(jī)的掌握器軟件。這是一個(gè)桌面電磁系統(tǒng)，內(nèi)含由兩個(gè)獨(dú)立電子馬達(dá)掌握的3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，每個(gè)軸驅(qū)動(dòng)一個(gè)推動(dòng)器。圖1是直升機(jī)系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)軸的框圖。align=RIGHTVSPACE=12HSPACE=12ALT="圖2:直升機(jī)掌握系統(tǒng)。"

假設(shè)傾斜軸的傾角接近零度，在對(duì)兩個(gè)馬達(dá)施加相同的高電壓后直升機(jī)會(huì)垂直向上攀升。對(duì)兩個(gè)馬達(dá)施加不同的電壓會(huì)使直升機(jī)繞傾斜軸旋轉(zhuǎn)。為了使直升機(jī)向前移動(dòng)，首先需要將直升機(jī)傾斜到一個(gè)非零角度，然后對(duì)兩個(gè)馬達(dá)同時(shí)施加適當(dāng)?shù)碾妷簛懋a(chǎn)生向前的推力。

如圖2所示，系統(tǒng)采納的掌握計(jì)算機(jī)具有3個(gè)位置編碼器輸入信號(hào)、兩個(gè)馬達(dá)電壓輸出信號(hào)，以及用于模式選擇與操縱桿掌握的用戶輸入信號(hào)。掌握計(jì)算機(jī)通過特地設(shè)計(jì)的接口卡接收位置編碼器輸入信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生模擬輸出電壓，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動(dòng)那兩個(gè)馬達(dá)。為了供應(yīng)足夠大的馬達(dá)工作電流，DAC的輸出需要連接到隨后的功率放大器進(jìn)行放大。

位置編碼器會(huì)隨時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，這些編碼器通過光學(xué)原理感知旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生數(shù)字化的角度位置數(shù)值。位置編碼器將以每360°4096個(gè)步距，或0.08789°的量化步距辨別率對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行量化。每個(gè)編碼器的輸出信號(hào)由兩個(gè)TTL電平組成，即PhaseA和PhaseB，當(dāng)對(duì)應(yīng)軸反轉(zhuǎn)時(shí)輸出信號(hào)就在這兩個(gè)凹凸電平之間來回切換。依據(jù)這兩個(gè)信號(hào)之間的相位差可以推斷每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)方向，如圖3所示。脈沖頻率正比于每個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)速率。

直升機(jī)掌握器的性能指標(biāo)滿意要在肯定時(shí)間內(nèi)將前進(jìn)和上升軸移動(dòng)到任意一個(gè)指定位置，時(shí)間一般應(yīng)掌握在10秒以內(nèi)。此外，直升機(jī)掌握器的軟件必需支持其它一些操作模式。全套掌握器操作模式包括：

關(guān)閉模式:align=RIGHTVSPACE=12HSPACE=12ALT="圖3:位置編碼器輸出信號(hào)。"

掌握器軟件以關(guān)閉模式啟動(dòng)，此時(shí)兩個(gè)馬達(dá)上的電壓為零。一旦系統(tǒng)離開這個(gè)模式，就只能從空(Null)模式再次進(jìn)入該模式。當(dāng)從空模式進(jìn)入關(guān)閉模式時(shí)，需要掌握上升軸緩慢地下降到桌面正上方，然后將馬達(dá)電壓設(shè)置為零。

空模式:

當(dāng)從關(guān)閉模式轉(zhuǎn)變到該模式時(shí)，首選要給馬達(dá)上電，并掌握全部軸到零位置。假如從其它模式轉(zhuǎn)變到空模式，那么只需要將全部軸掌握到零位置。零位置是指傾斜軸和前進(jìn)軸在系統(tǒng)啟動(dòng)位置，而推動(dòng)組件被抬舉到上升方向的水平位置，如圖1所示。

隨機(jī)模式:

在10秒時(shí)間間隔內(nèi)為前進(jìn)和上升軸位移命令產(chǎn)生預(yù)定義范圍內(nèi)的一個(gè)新隨機(jī)值，然后由掌握器軟件將直升機(jī)移動(dòng)到相應(yīng)的位置。

自動(dòng)駕駛模式:

在這種模式下，由操縱桿產(chǎn)生掌握器所需的上升和水平行進(jìn)命令。通過操縱桿的前后動(dòng)作掌握上升位置，通過左右動(dòng)作來掌握水平位置。掌握器通過移動(dòng)直升機(jī)來跟隨命令所指定位置。

手動(dòng)模式:

在手動(dòng)模式下，操縱桿直接產(chǎn)生馬達(dá)驅(qū)動(dòng)用的電壓和與電壓差。操縱桿前后動(dòng)作掌握兩個(gè)馬達(dá)電壓的和，左右運(yùn)動(dòng)掌握兩個(gè)馬達(dá)電壓的差。在這種模式下系統(tǒng)特殊難以掌握，假如任何軸的運(yùn)動(dòng)超過了某個(gè)位置限制，掌握器就會(huì)自動(dòng)切換到空模式。通常，在進(jìn)入該模式后的幾秒鐘內(nèi)可能產(chǎn)生違反限制的問題。

在確定系統(tǒng)功能和性能要求后，可以進(jìn)行掌握器軟件的開發(fā)和測(cè)試。而仿真技術(shù)的應(yīng)用可以加快直升機(jī)掌握器軟件的開發(fā)和測(cè)試速度。

項(xiàng)目規(guī)范

為了對(duì)嵌入式軟件進(jìn)行HIL仿真測(cè)試，需要使用嵌入式處理器及其附屬I/O器件。對(duì)于很多嵌入式系統(tǒng)來說，這只是整個(gè)系統(tǒng)的一小部分，可以在早期開發(fā)階段實(shí)現(xiàn)組合。可以創(chuàng)建一個(gè)直升機(jī)硬件及其與外部環(huán)境交互的仿真，并通過掌握器的I/O接口把這個(gè)仿真與嵌入式掌握器連接起來。嵌入式掌握器和直升機(jī)仿真就猶如實(shí)際系統(tǒng)一樣工作。

在簡(jiǎn)單的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)早期，常常需要仿真一個(gè)完整系統(tǒng)在預(yù)期環(huán)境中的運(yùn)行。這種利用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具，如Simulink開發(fā)的仿真系統(tǒng)通常不是實(shí)時(shí)的，但可以作為HIL仿真的基礎(chǔ)。某些時(shí)候需要對(duì)這些仿真系統(tǒng)中包含的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和優(yōu)化，使之適合實(shí)時(shí)仿真使用。不過在本項(xiàng)目中不需要修改這些模型。

簡(jiǎn)單系統(tǒng)仿真需要用到很多高級(jí)的數(shù)學(xué)算法，但可以采納特地的軟件工具來簡(jiǎn)化任務(wù)：Simulink是MATLAB的一個(gè)附件，它可以用來供應(yīng)以框圖為主的圖形環(huán)境下的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真。用Simulink進(jìn)行仿真的方法是先把“調(diào)色板”上的模塊拖到繪畫區(qū)域，然后用代表信號(hào)流向的直線把這些模塊連接起來。圖4就是直升機(jī)項(xiàng)目中采納的位置編碼模型的Simulink框圖，該模型把以弧度表示的角度位置作為其輸入信號(hào)，并產(chǎn)生PhaseA和PhaseB信號(hào)作為其輸出。另外，它還輸出指示信號(hào)，用來指示相應(yīng)軸到達(dá)零位置的時(shí)刻。直升機(jī)位置編碼器不會(huì)產(chǎn)生指示信號(hào)輸出，因此不使用該Simulink模型的輸出。

Stateflow是Simulink的一個(gè)附件，用以實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)模型。在這個(gè)直升機(jī)項(xiàng)目中，Stateflow模型用來實(shí)現(xiàn)直升機(jī)模式選擇規(guī)律。

Real-TimeWorkshop依據(jù)Simulink框圖產(chǎn)生C代碼，其它工具需要使用這些代碼來達(dá)成編譯與執(zhí)行目標(biāo)。在本項(xiàng)目中，其它工具包括Real-TimeWindowsTarget和xPCTarget。

Real-TimeWindowsTarget允許仿真的編譯與執(zhí)行作為PC機(jī)Windows系統(tǒng)中的一個(gè)實(shí)時(shí)進(jìn)程，能與Windows操作系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。在本項(xiàng)目中，Real-TimeWindowsTarget執(zhí)行的是HIL系統(tǒng)仿真，所用主機(jī)正是開發(fā)和掌握直升機(jī)軟件的計(jì)算機(jī)。align=RIGHTVSPACE=12HSPACE=12ALT="圖5:直升機(jī)和掌握器模型。"

xPCTarget允許在PC機(jī)上執(zhí)行仿真，此時(shí)PC機(jī)的功能猶如特地的實(shí)時(shí)掌握器。xPCTarget還供應(yīng)實(shí)時(shí)的多任務(wù)內(nèi)核供只有有限硬件資源的嵌入式處理器使用。xPCTarget在本項(xiàng)目中用來在一臺(tái)獨(dú)立PC上產(chǎn)生和執(zhí)行直升機(jī)掌握器用的實(shí)時(shí)代碼，此時(shí)該P(yáng)C機(jī)就用作“嵌入式”掌握器。

仿真開發(fā)

掌握器軟件開發(fā)的第一步是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)直升機(jī)掌握器系統(tǒng)的仿真，圖5給出了仿真的頂層框圖。其中兩個(gè)較大的方框分別表示直升機(jī)系統(tǒng)本身和數(shù)字掌握器，兩個(gè)較小的帶有“操縱桿”和“模式命令”標(biāo)簽的方框向掌握器供應(yīng)用戶輸入信號(hào)。圖5中的“直升機(jī)”框圖包含有直升機(jī)動(dòng)態(tài)行為的Simulink模型，如圖6所示。從圖6可以看到，該模型采納了轉(zhuǎn)移函數(shù)、求和函數(shù)和積分器等多個(gè)Simulink模塊。帶“有限運(yùn)動(dòng)”標(biāo)簽的模塊包含有一個(gè)受限于向下靠近桌面方向