開放式控制平臺及其在無人潛航器制導系統(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、能長時間在水下自主遠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)行特定的任務和使命。20世紀90年代，世界各主要海軍國家開始關(guān)注UUV在軍事領(lǐng)域的應用前景，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、適應復雜海況以及可有效減少人員傷亡的特點。因此，美國海軍于1999年提出了一套完整的無人潛航器發(fā)展計劃，開始大力發(fā)展軍用UUV系統(tǒng)，并希望其能夠達到與無人飛機相類似的多用途性和通用性。2005年1月，美國海軍發(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、無人戰(zhàn)車和機器士兵研究同等重要的位置。
機動控制和制導技術(shù)是UUV的關(guān)鍵技術(shù)之一，自動化程度的高低直接決定UUV的整體性能。要求水下自主遠距離航行時，在無人控制下，能自動收集并傳送信息，探測、評估并主動規(guī)避威脅目標和障礙物；在出現(xiàn)不可預知情況及惡劣水文條件時，可根據(jù)任務目標、周圍環(huán)境情況和剩余動力，迅速做出反應，自主決策，返回母艦或與其他平臺合作，組成UUV編隊，協(xié)同完成任務。
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)、實時網(wǎng)絡等計算機技術(shù)和控制技術(shù)來分析UUV的制導系統(tǒng)，提出未來新型UUV制導系統(tǒng)一般性結(jié)構(gòu)和設(shè)計的方法，實現(xiàn)控制算法和軟硬件平臺相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。該體系將會為開發(fā)新一代的UUV提供一個高技術(shù)的平臺，并降低UUV開發(fā)的難度和費用。
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)受到計算機技術(shù)、控制理論、網(wǎng)絡通信技術(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。其最顯著的特點是系統(tǒng)越來越復雜，戰(zhàn)術(shù)指標越來越高。任務的復雜性、環(huán)境的不確定性、系統(tǒng)內(nèi)多硬件和多軟件平臺是目前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，還要具備計算機操作系統(tǒng)和硬件的知識。如果計算機工程師向用戶提供的平臺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)計有一層中間件，如圖1所示。它將應用程序接口API(Application Programming Interface)與操作系統(tǒng)隔離，使得這種平臺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。同時OCP的各控制單元在物理位置上可與測量變送單元和操作執(zhí)行單元合為一體，可以在現(xiàn)場構(gòu)成完整的基本控制系統(tǒng)。
對于開放式控制平臺的無人潛航器制導系統(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、自動駕駛控制、系統(tǒng)存儲器管理和武器發(fā)射控制等。
采用OCP中間件還包括：
(1) 運行時間結(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。中間件的另一個重要任務是隔離應用程序和操作系統(tǒng)，使得用戶開發(fā)應用程序時，與操作系統(tǒng)平臺和硬件平臺無關(guān)。
(2) 仿真環(huán)境。仿真環(huán)境則允許嵌入式系統(tǒng)在一個虛擬的環(huán)境中實現(xiàn)，例如讀取航行器的各傳感器信號，給執(zhí)行機構(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)計手段。
目前OCP的中間件技術(shù)有多種選擇，較多采用的是國際OMG(Object Management Group)組織推出的分布式對象計算標準CORBA(Common Object Request Broker Architecture)。但由于通用CORBA規(guī)范并不是針對分布式實時應用而制定的，因而缺乏對可預測性、包括時間的確定性、低延遲、QoS等應有的實時特性的支持。所以，需要將CORBA技術(shù)本身進行改進和擴展，以滿足分布式實時應用的需要。本質(zhì)上講，實時CORBA系統(tǒng)是一個面向?qū)ο蟮姆植际綄崟r中間件，能夠支持具有不同特性的分布式實時應用系統(tǒng)，具有較高的性能和有效控制系統(tǒng)資源的能力。
平臺無關(guān)性、語言無關(guān)性和網(wǎng)絡協(xié)議無關(guān)性是CORBA具有的三個重要特性，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復雜系統(tǒng)的許多要求，例如：實時路徑規(guī)劃、混合系統(tǒng)的自主管理、結(jié)構(gòu)的可重新動態(tài)配置以及對UUV傳感器和執(zhí)行器的實時觸發(fā)等。
2 開放式無人潛航器制導系統(tǒng)控制平臺
2.1 新型UUV制導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特點
UUV制導系統(tǒng)的復雜性主要表現(xiàn)在目標和UUV本體運動信息的獲取、自導律和控制律的產(chǎn)生、作戰(zhàn)有效性和對抗決策等。UUV系統(tǒng)具有多CPU硬件平臺和多操作系統(tǒng)軟件平臺，各平臺的通信也具有多樣性，即UUV是一種典型的異構(gòu)網(wǎng)絡平臺。在參考文獻[4]、[5]中提出了基于現(xiàn)場總線和嵌入式系統(tǒng)的UUV制導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)制導大回路一體化，但系統(tǒng)開發(fā)復雜，對工程師的專家知識要求很高，不利于嵌入式技術(shù)在UUV中的應用。本文在參考文獻[6]的基礎(chǔ)上提出基于SEC和OCP技術(shù)設(shè)計新型開放式UUV制導系統(tǒng)，正是為了解決嵌入式技術(shù)在UUV中的應用瓶頸。首先涉及到的技術(shù)就是異構(gòu)平臺信息的統(tǒng)一管理和信息融合，以便能全息地利用各類信號，支撐制導全系統(tǒng)的有效和可靠地運行。
在UUV的設(shè)計中，微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器等得到普遍應用，并構(gòu)成多種運算處理平臺。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)場總線、嵌入式操作系統(tǒng)和OCP技術(shù)，構(gòu)造UUV制導系統(tǒng)，是因為這種新型結(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制導系統(tǒng)
在現(xiàn)代UUV的設(shè)計中，大多以控制系統(tǒng)為中心，完成信號的綜合、判斷，協(xié)調(diào)其他各系統(tǒng)的動作流程。這為現(xiàn)場總線、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)場總線和實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)的控制節(jié)點結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)分析在參考文獻[4-6]已經(jīng)進行過研究，本文將從OCP技術(shù)的角度給出控制節(jié)點結(jié)構(gòu)特點和性能。
圖1表示了基于OCP的控制節(jié)點的典型結(jié)構(gòu)。與參考文獻[6]中圖2結(jié)構(gòu)的不同之處在于：在VxWorks操作系統(tǒng)和應用程序之間增加了OCP中間件層，并要求用戶開發(fā)的應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，包括實時性、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)的標準應用程序接口(API)。API接口包括底層I/O驅(qū)動、操作系統(tǒng)的管理等。標準API接口可以保證應用程序與操作系統(tǒng)
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