開放式控制平臺(tái)及其在無人潛航器制導(dǎo)系統(tǒng)中的
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無人潛航器UUV是一種主要以潛艇或水面艦艇為支援平臺(tái)、能長(zhǎng)時(shí)間在水下自主遠(yuǎn)程航行的智能化裝置，可以攜帶多種專用設(shè)備或武器，執(zhí)行特定的任務(wù)和使命。20世紀(jì)90年代，世界各主要海軍國(guó)家開始關(guān)注UUV在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并相繼開發(fā)出了一批多用途的無人潛航器。與傳統(tǒng)潛艇相比，無人潛航器具有使用靈活、隱蔽性強(qiáng)、適應(yīng)復(fù)雜海況以及可有效減少人員傷亡的特點(diǎn)。因此，美國(guó)海軍于1999年提出了一套完整的無人潛航器發(fā)展計(jì)劃，開始大力發(fā)展軍用UUV系統(tǒng)，并希望其能夠達(dá)到與無人飛機(jī)相類似的多用途性和通用性。2005年1月，美國(guó)海軍發(fā)布了新的《無人潛航器（UUV）總體規(guī)劃》,該規(guī)劃將無人潛航器提高到與無人機(jī)、無人戰(zhàn)車和機(jī)器士兵研究同等重要的位置。
機(jī)動(dòng)控制和制導(dǎo)技術(shù)是UUV的關(guān)鍵技術(shù)之一，自動(dòng)化程度的高低直接決定UUV的整體性能。要求水下自主遠(yuǎn)距離航行時(shí)，在無人控制下，能自動(dòng)收集并傳送信息，探測(cè)、評(píng)估并主動(dòng)規(guī)避威脅目標(biāo)和障礙物；在出現(xiàn)不可預(yù)知情況及惡劣水文條件時(shí)，可根據(jù)任務(wù)目標(biāo)、周圍環(huán)境情況和剩余動(dòng)力，迅速做出反應(yīng)，自主決策，返回母艦或與其他平臺(tái)合作，組成UUV編隊(duì)，協(xié)同完成任務(wù)。
本文主要研究了OCP和SEC的基本結(jié)構(gòu)、嵌入式中間件結(jié)構(gòu)，結(jié)合OCP、嵌入式操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)來分析UUV的制導(dǎo)系統(tǒng)，提出未來新型UUV制導(dǎo)系統(tǒng)一般性結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的方法，實(shí)現(xiàn)控制算法和軟硬件平臺(tái)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。該體系將會(huì)為開發(fā)新一代的UUV提供一個(gè)高技術(shù)的平臺(tái)，并降低UUV開發(fā)的難度和費(fèi)用。
1 OCP的基本結(jié)構(gòu)和中間件技術(shù)
目前的自主航行器系統(tǒng)受到計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的影響已經(jīng)得到空前的發(fā)展和突破。其最顯著的特點(diǎn)是系統(tǒng)越來越復(fù)雜，戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)越來越高。任務(wù)的復(fù)雜性、環(huán)境的不確定性、系統(tǒng)內(nèi)多硬件和多軟件平臺(tái)是目前UUV的最主要特征。這給UUV的開發(fā)帶來非常大的困難，不但要求開發(fā)者有專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)，還要具備計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和硬件的知識(shí)。如果計(jì)算機(jī)工程師向用戶提供的平臺(tái)包括硬件和嵌入式操作系統(tǒng)，并利用中間件技術(shù)隔離應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)，這樣，UUV工程師就可以集中精力開發(fā)自己擅長(zhǎng)的專業(yè)領(lǐng)域控制軟件。
基于嵌入式系統(tǒng)的OCP技術(shù)在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)集中控制系統(tǒng)大致相同，其在操作系統(tǒng)之上設(shè)計(jì)有一層中間件，如圖1所示。它將應(yīng)用程序接口API(Application Programming Interface)與操作系統(tǒng)隔離，使得這種平臺(tái)具備真正的開放式結(jié)構(gòu)和可重新配置能力，并且適合多類型的硬件和軟件平臺(tái)。同時(shí)OCP的各控制單元在物理位置上可與測(cè)量變送單元和操作執(zhí)行單元合為一體，可以在現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)成完整的基本控制系統(tǒng)。
對(duì)于開放式控制平臺(tái)的無人潛航器制導(dǎo)系統(tǒng)，采用OCP的主要目的是將中間件技術(shù)引入到航行器處理系統(tǒng)中，包括UUV的航行管理、自動(dòng)駕駛控制、系統(tǒng)存儲(chǔ)器管理和武器發(fā)射控制等。
采用OCP中間件還包括：
(1) 運(yùn)行時(shí)間結(jié)構(gòu)和中間件。OCP使用中間件將各類不同的嵌入式系統(tǒng)綜合在一起，控制各類軟件的執(zhí)行和通信。中間件的另一個(gè)重要任務(wù)是隔離應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)，使得用戶開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，與操作系統(tǒng)平臺(tái)和硬件平臺(tái)無關(guān)。
(2) 仿真環(huán)境。仿真環(huán)境則允許嵌入式系統(tǒng)在一個(gè)虛擬的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，例如讀取航行器的各傳感器信號(hào)，給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)布執(zhí)行指令等。
(3) 工具綜合。工具綜合提供給航行器開發(fā)者使用包括Matlab/Simulink等軟件的接口，允許開發(fā)者更有效地使用 這些工具開發(fā)航行器的嵌入式軟件，如快速控制原型(RCP)、硬件在回路仿真等設(shè)計(jì)手段。
目前OCP的中間件技術(shù)有多種選擇，較多采用的是國(guó)際OMG(Object Management Group)組織推出的分布式對(duì)象計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)CORBA(Common Object Request Broker Architecture)。但由于通用CORBA規(guī)范并不是針對(duì)分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用而制定的，因而缺乏對(duì)可預(yù)測(cè)性、包括時(shí)間的確定性、低延遲、QoS等應(yīng)有的實(shí)時(shí)特性的支持。所以，需要將CORBA技術(shù)本身進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，以滿足分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用的需要。本質(zhì)上講，實(shí)時(shí)CORBA系統(tǒng)是一個(gè)面向?qū)ο蟮姆植际綄?shí)時(shí)中間件，能夠支持具有不同特性的分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，具有較高的性能和有效控制系統(tǒng)資源的能力。
平臺(tái)無關(guān)性、語言無關(guān)性和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無關(guān)性是CORBA具有的三個(gè)重要特性，它的基礎(chǔ)核心是ORB。正是利用了CORBA基于事件通信的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了OCP內(nèi)部的分布式處理和內(nèi)部組件之間的通信，滿足了UUV復(fù)雜系統(tǒng)的許多要求，例如：實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃、混合系統(tǒng)的自主管理、結(jié)構(gòu)的可重新動(dòng)態(tài)配置以及對(duì)UUV傳感器和執(zhí)行器的實(shí)時(shí)觸發(fā)等。
2 開放式無人潛航器制導(dǎo)系統(tǒng)控制平臺(tái)
2.1 新型UUV制導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)
UUV制導(dǎo)系統(tǒng)的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在目標(biāo)和UUV本體運(yùn)動(dòng)信息的獲取、自導(dǎo)律和控制律的產(chǎn)生、作戰(zhàn)有效性和對(duì)抗決策等。UUV系統(tǒng)具有多CPU硬件平臺(tái)和多操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)，各平臺(tái)的通信也具有多樣性，即UUV是一種典型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。在參考文獻(xiàn)[4]、[5]中提出了基于現(xiàn)場(chǎng)總線和嵌入式系統(tǒng)的UUV制導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)大回路一體化，但系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜，對(duì)工程師的專家知識(shí)要求很高，不利于嵌入式技術(shù)在UUV中的應(yīng)用。本文在參考文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上提出基于SEC和OCP技術(shù)設(shè)計(jì)新型開放式UUV制導(dǎo)系統(tǒng)，正是為了解決嵌入式技術(shù)在UUV中的應(yīng)用瓶頸。首先涉及到的技術(shù)就是異構(gòu)平臺(tái)信息的統(tǒng)一管理和信息融合，以便能全息地利用各類信號(hào)，支撐制導(dǎo)全系統(tǒng)的有效和可靠地運(yùn)行。
在UUV的設(shè)計(jì)中，微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器等得到普遍應(yīng)用，并構(gòu)成多種運(yùn)算處理平臺(tái)。有些使用傳統(tǒng)的DOS操作系統(tǒng)，有些甚至不使用操作系統(tǒng)。這不但帶來了諸如布線、屏蔽、抗干擾、隔離地等眾多問題，而且無論從重量、電磁干擾、可靠性等方面都非常不利于UUV總體性能的提高，不利于UUV武器系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)。
因此，本文提出的采用現(xiàn)場(chǎng)總線、嵌入式操作系統(tǒng)和OCP技術(shù)，構(gòu)造UUV制導(dǎo)系統(tǒng)，是因?yàn)檫@種新型結(jié)構(gòu)具有的結(jié)構(gòu)可重新配置和軟件的可重用性，可以從根本上解決以上難題。
2.2 基于OCP技術(shù)的UUV制導(dǎo)系統(tǒng)
在現(xiàn)代UUV的設(shè)計(jì)中，大多以控制系統(tǒng)為中心，完成信號(hào)的綜合、判斷，協(xié)調(diào)其他各系統(tǒng)的動(dòng)作流程。這為現(xiàn)場(chǎng)總線、嵌入式操作系統(tǒng)和OCP技術(shù)的采用提供了很大的便利條件，其中基于現(xiàn)場(chǎng)總線和實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)的控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析在參考文獻(xiàn)[4-6]已經(jīng)進(jìn)行過研究，本文將從OCP技術(shù)的角度給出控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能。
圖1表示了基于OCP的控制節(jié)點(diǎn)的典型結(jié)構(gòu)。與參考文獻(xiàn)[6]中圖2結(jié)構(gòu)的不同之處在于：在VxWorks操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間增加了OCP中間件層，并要求用戶開發(fā)的應(yīng)用程序也要按照面向?qū)ο蠹夹g(shù)和層次的概念來開發(fā)，使得應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)分離。其次該結(jié)構(gòu)可以滿足基于OCP技術(shù)的要求，包括實(shí)時(shí)性、高可靠性、系統(tǒng)的靈活性和系統(tǒng)的可重新配置等。在OCP中間件層中，要求系統(tǒng)開發(fā)商能夠向用戶提供與操作系統(tǒng)無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口(API)。API接口包括底層I/O驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)的管理等。標(biāo)準(zhǔn)API接口可以保證應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)
評(píng)論