開放式控制平臺及其在無人潛航器制導系統(tǒng)中的應用

　　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) 運行時間結構和中間件。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。
　　(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計手段。
　　目前OCP的中間件技術有多種選擇，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技術本身進行改進和擴展，以滿足分布式實時應用的需要。本質上講，實時CORBA系統(tǒng)是一個面向對象的分布式實時中間件，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。
　　平臺無關性、語言無關性和網(wǎng)絡協(xié)議無關性是CORBA具有的三個重要特性，它的基礎核心是ORB。正是利用了CORBA基于事件通信的技術實現(xiàn)了OCP內部的分布式處理和內部組件之間的通信，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、結構的可重新動態(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)結構及其特點
　　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)結構，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，不利于嵌入式技術在UUV中的應用。本文在參考文獻[6]的基礎上提出基于SEC和OCP技術設計新型開放式UUV制導系統(tǒng)，正是為了解決嵌入式技術在UUV中的應用瓶頸。首先涉及到的技術就是異構平臺信息的統(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，構造UUV制導系統(tǒng)，是因為這種新型結構具有的結構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技術的UUV制導系統(tǒng)
　　在現(xiàn)代UUV的設計中，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)點結構、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技術的角度給出控制節(jié)點結構特點和性能。
　　圖1表示了基于OCP的控制節(jié)點的典型結構。與參考文獻[6]中圖2結構的不同之處在于：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對象技術和層次的概念來開發(fā)，使得應用程序與操作系統(tǒng)分離。其次該結構可以滿足基于OCP技術的要求，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)無關的標準應用程序接口(API)。API接口包括底層I/O驅動、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)的無關性，這樣不但便于系統(tǒng)的開發(fā)，也便于今后操作系統(tǒng)的升級、應用程序的修改和升級。

　　以UUV姿態(tài)控制為例，基于OCP的控制系統(tǒng)的典型結構是分層控制結構。如圖2所示，可以非常明顯地看出,根據(jù)UUV主控節(jié)點的功能，將控制劃分為三個層次：
　　(1) 系統(tǒng)底層控制主要完成控制系統(tǒng)最基本的功能，如系統(tǒng)的穩(wěn)定性、調節(jié)時間控制等，這層是所有系統(tǒng)最基本的，該層也負責與節(jié)點的操作系統(tǒng)打交道。由于CORBA的ORB是一種軟總線技術，負責提供對象間信息流通所需的通路，不同硬件平臺在傳遞參數(shù)時均使用自己的格式，一旦進入ORB，CORBA均將其轉換為一種通用的格式。因此在采用了ORB技術后，該節(jié)點的許多子程序可以被網(wǎng)絡上其他節(jié)點調用，即使調用節(jié)點使用的軟硬件平臺不一致也沒有關系。
　　(2） 中間層的控制作用主要是完成系統(tǒng)的離散事件處理，如模態(tài)的變換、故障的處理等。模態(tài)是指航行器從一種航行狀態(tài)到另一種航行狀態(tài)的變換。故障處理包括系統(tǒng)故障的識別、故障檢測、故障隔離以及為了處理系統(tǒng)故障而采用的系統(tǒng)控制的重新配置。另外，該層還要負責處理來自傳感器的信號，包括信號的濾波、信號的識別等。尤其是當出現(xiàn)傳感器故障時，該層還負責信息融合、傳感器故障的識別、隔離和信號的重構。
　　(3)高層控制器是UUV制導系統(tǒng)主控節(jié)點的中樞，功能包括系統(tǒng)的程序彈道設置以及為完成系統(tǒng)任務而需要的航程規(guī)劃等。
　　主控制器節(jié)點控制算法的分層是為了適應基于嵌入式系統(tǒng)的OCP結構，它能完全滿足圖1所示的軟件結構。圖2的中間層和高層控制可以按所選用的ORB規(guī)范設計成通用組件模塊，可供本節(jié)點使用，也可供其他節(jié)點調用。
2.3 中間件技術和異構網(wǎng)絡及其在UUV制導系統(tǒng)中的作用
　　基于CORBA的OCP技術在UUV制導系統(tǒng)中的主要作用可以歸結為兩點：軟總線技術和中間件技術。
　　基于OCP的嵌入式UUV制導系統(tǒng)軟件框架的核心，是在現(xiàn)場總線和實時多任務操作系統(tǒng)基礎上的分布式控制平臺上的應用程序采用了實時CORBA技術，而ORB又是CORBA的核心。如前所述，ORB的作用實質上是一條軟總線，所有的組件都掛接在該總線上。只要遵照規(guī)定的總線通信協(xié)議，ORB允許在不同平臺下的最底層的組件能夠相互通信。在TTCAN實時總線[6]的支持下，實時CORBA的中間件技術支持分布式處理和內部組件之間的實時通信，圖3表示了基于ORB軟總線的UUV姿態(tài)控制的結構圖(其中姿態(tài)控制器組件的結構如圖2所示)。

　　在圖3中的軟總線上有5個節(jié)點組件，系統(tǒng)的陀螺儀和慣性組件所敏感的信號都可以作為UUV姿態(tài)的控制信號，但陀螺儀和慣性組件所敏感的信號具有不同的精度和時間標尺。利用中間件的軟總線技術系統(tǒng)的可重新配置功能，姿態(tài)控制器可以很容易地根據(jù)兩組敏感元件的輸出和系統(tǒng)的需求進行敏感元件的切換，而不必根據(jù)全系統(tǒng)的性能來決定這兩個敏感元件的切換。因此，系統(tǒng)中的事件通道可以根據(jù)局部的需要來極小化組件的切換。
　　在計算機軟硬件系統(tǒng)中，層次是一個非常重要的概念和技術，幾乎所有的操作系統(tǒng)和應用軟件都是按層次結構設計的。由于OCP的作用是隔離操作系統(tǒng)和應用組件，因此，采用這種中間件技術可以更有效地做系統(tǒng)開發(fā)，可以使工程師在開發(fā)應用系統(tǒng)時不必要有過多的操作系統(tǒng)知識，而可集中精力在自己的應用程序上。其次，由于采用中間件技術，OCP具有與系統(tǒng)無關性，這樣在進行系統(tǒng)原理設計時，底層的平臺就能夠使用比較熟悉的軟件系統(tǒng)，如Windows等，而不必要一開始就使用類似的VxWorks，以便能夠更有效和更快地做出方案設計。
3 基于OCP技術的UUV制導系統(tǒng)的特點
　　OCP是美國DARPA的SEC規(guī)范中的一個重要部分。DARPA提出SEC的主要目的就是為了解決復雜的UAV控制問題，目前國外有關SEC和OCP的研究報告也主要集中在無人自主航行器上，包括空中航行器、地面航行器和無人旋翼飛機。出于保密的原因，尚未看到在UUV武器中的研究報告。但由以上研究可以看出，基于SEC和OCP技術的UUV制導系統(tǒng)有許多特點：
　　(1) SEC和OCP，包括CORBA都是一種規(guī)范，國外包括波音公司在內的許多大公司都在圍繞這些規(guī)范開發(fā)自己的應用系統(tǒng)，開發(fā)自己的適合UUV的軟硬件規(guī)范和實時總線協(xié)議規(guī)范，對于指導UUV規(guī)范的發(fā)展非常有利。
　　(2) 采用中間件技術可以有效地解決目前UUV內部的多CPU型號和多操作系統(tǒng)帶來的問題，由此不但可以降低系統(tǒng)的開發(fā)成本和縮短研制時間，還可以提高系統(tǒng)的可靠性、可維護性和可擴展性。
　　(3) OCP使用中間件技術與操作系統(tǒng)無關性，可以最大限度地解決目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的難度。在最底層的硬件和操作系統(tǒng)的基礎上，UUV工程師可以按照規(guī)范來設計應用程序。這樣可以制定項目開發(fā)規(guī)范和規(guī)章，更好地解決目前UUV武器系統(tǒng)開發(fā)中各自為戰(zhàn)的局面，對提高系統(tǒng)的質量有很大的好處。
　　(4) SEC和OCP在UUV中的應用必須建立在實時多任務嵌入式和實時總線的基礎上，才能夠充分發(fā)揮OCP的功能。
　　(5) 目前國內的SEC和OCP技術，與實際應用還存在一些距離，尤其是工程化的問題、組件的數(shù)字化問題、相應的新的控制技術和制導技術的變化等問題。在國內,這些新技術在UUV研制中的應用雖然還是空白，但它具有廣闊的前景。
本文研究了當前復雜系統(tǒng)控制的主流技術，即基于SEC的開放式控制平臺，并著重探討了OCP技術及其在UUV制導系統(tǒng)中的應用及關鍵技術。UUV制導系統(tǒng)本身具有信息復雜性、不完整性和多目標決策等特點，決定了其導引和控制的難度。由于現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡控制理論的應用和目前UUV武器的開發(fā)各自為戰(zhàn)的現(xiàn)狀，使得UUV武器系統(tǒng)具有多硬件平臺和多軟件平臺，已經(jīng)構成一個典型的異構性網(wǎng)絡。對這類復雜的異構網(wǎng)絡系統(tǒng)如果沒有一個規(guī)范和統(tǒng)一的通信協(xié)議，必將使得系統(tǒng)控制具有很高的技術難度，也會阻礙進一步的發(fā)展。而美國DARPA倡導的SEC技術是實現(xiàn)這一要求的有效技術之一，目前包括美國波音公司等在內的公司正在將此技術大量應用在UUV的控制系統(tǒng)中。
　　開放式控制平臺不是一個孤立的技術，它涉及嵌入式操作系統(tǒng)、實時現(xiàn)場總線、快速控制原型、硬件在回路仿真、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)等多個方面，而這些都是目前計算機和控制中的最新技術和理論。在UUV制導系統(tǒng)中引入SEC和OCP這些新的理論和技術，為UUV制導系統(tǒng)中許多目前存在的問題提供解決問題的新途徑。