開放式控制平臺(tái)及其在無(wú)人潛航器制導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　對(duì)于開放式控制平臺(tái)的無(wú)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(wú)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(wú)關(guān)性、語(yǔ)言無(wú)關(guān)性和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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)的無(wú)關(guān)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(jí)、應(yīng)用程序的修改和升級(jí)。

　　以UUV姿態(tài)控制為例，基于OCP的控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)是分層控制結(jié)構(gòu)。如圖2所示，可以非常明顯地看出,根據(jù)UUV主控節(jié)點(diǎn)的功能，將控制劃分為三個(gè)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(diào)節(jié)時(shí)間控制等，這層是所有系統(tǒng)最基本的，該層也負(fù)責(zé)與節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)打交道。由于CORBA的ORB是一種軟總線技術(shù)，負(fù)責(zé)提供對(duì)象間信息流通所需的通路，不同硬件平臺(tái)在傳遞參數(shù)時(shí)均使用自己的格式，一旦進(jìn)入ORB，CORBA均將其轉(zhuǎn)換為一種通用的格式。因此在采用了ORB技術(shù)后，該節(jié)點(diǎn)的許多子程序可以被網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)調(diào)用，即使調(diào)用節(jié)點(diǎn)使用的軟硬件平臺(tái)不一致也沒有關(guān)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(shí)別、故障檢測(cè)、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(fù)責(zé)處理來自傳感器的信號(hào)，包括信號(hào)的濾波、信號(hào)的識(shí)別等。尤其是當(dāng)出現(xiàn)傳感器故障時(shí)，該層還負(fù)責(zé)信息融合、傳感器故障的識(shí)別、隔離和信號(hào)的重構(gòu)。
　　(3)高層控制器是UUV制導(dǎo)系統(tǒng)主控節(jié)點(diǎn)的中樞，功能包括系統(tǒng)的程序彈道設(shè)置以及為完成系統(tǒng)任務(wù)而需要的航程規(guī)劃等。
　　主控制器節(jié)點(diǎn)控制算法的分層是為了適應(yīng)基于嵌入式系統(tǒng)的OCP結(jié)構(gòu)，它能完全滿足圖1所示的軟件結(jié)構(gòu)。圖2的中間層和高層控制可以按所選用的ORB規(guī)范設(shè)計(jì)成通用組件模塊，可供本節(jié)點(diǎn)使用，也可供其他節(jié)點(diǎn)調(diào)用。
2.3 中間件技術(shù)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及其在UUV制導(dǎo)系統(tǒng)中的作用
　　基于CORBA的OCP技術(shù)在UUV制導(dǎo)系統(tǒng)中的主要作用可以歸結(jié)為兩點(diǎn)：軟總線技術(shù)和中間件技術(shù)。
　　基于OCP的嵌入式UUV制導(dǎo)系統(tǒng)軟件框架的核心，是在現(xiàn)場(chǎng)總線和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上的分布式控制平臺(tái)上的應(yīng)用程序采用了實(shí)時(shí)CORBA技術(shù)，而ORB又是CORBA的核心。如前所述，ORB的作用實(shí)質(zhì)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(tái)下的最底層的組件能夠相互通信。在TTCAN實(shí)時(shí)總線[6]的支持下，實(shí)時(shí)CORBA的中間件技術(shù)支持分布式處理和內(nèi)部組件之間的實(shí)時(shí)通信，圖3表示了基于ORB軟總線的UUV姿態(tài)控制的結(jié)構(gòu)圖(其中姿態(tài)控制器組件的結(jié)構(gòu)如圖2所示)。

　　在圖3中的軟總線上有5個(gè)節(jié)點(diǎn)組件，系統(tǒng)的陀螺儀和慣性組件所敏感的信號(hào)都可以作為UUV姿態(tài)的控制信號(hào)，但陀螺儀和慣性組件所敏感的信號(hào)具有不同的精度和時(shí)間標(biāo)尺。利用中間件的軟總線技術(shù)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(jìn)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(gè)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(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)中，層次是一個(gè)非常重要的概念和技術(shù)，幾乎所有的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件都是按層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。由于OCP的作用是隔離操作系統(tǒng)和應(yīng)用組件，因此，采用這種中間件技術(shù)可以更有效地做系統(tǒng)開發(fā)，可以使工程師在開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)不必要有過多的操作系統(tǒng)知識(shí)，而可集中精力在自己的應(yīng)用程序上。其次，由于采用中間件技術(shù)，OCP具有與系統(tǒng)無(wú)關(guān)性，這樣在進(jìn)行系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)時(shí)，底層的平臺(tái)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(shè)計(jì)。
3 基于OCP技術(shù)的UUV制導(dǎo)系統(tǒng)的特點(diǎn)
　　OCP是美國(guó)DARPA的SEC規(guī)范中的一個(gè)重要部分。DARPA提出SEC的主要目的就是為了解決復(fù)雜的UAV控制問題，目前國(guó)外有關(guān)SEC和OCP的研究報(bào)告也主要集中在無(wú)人自主航行器上，包括空中航行器、地面航行器和無(wú)人旋翼飛機(jī)。出于保密的原因，尚未看到在UUV武器中的研究報(bào)告。但由以上研究可以看出，基于SEC和OCP技術(shù)的UUV制導(dǎo)系統(tǒng)有許多特點(diǎn)：
　　(1) SEC和OCP，包括CORBA都是一種規(guī)范，國(guó)外包括波音公司在內(nèi)的許多大公司都在圍繞這些規(guī)范開發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)，開發(fā)自己的適合UUV的軟硬件規(guī)范和實(shí)時(shí)總線協(xié)議規(guī)范，對(duì)于指導(dǎo)UUV規(guī)范的發(fā)展非常有利。
　　(2) 采用中間件技術(shù)可以有效地解決目前UUV內(nèi)部的多CPU型號(hào)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(shí)間，還可以提高系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。
　　(3) OCP使用中間件技術(shù)與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)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(chǔ)上，UUV工程師可以按照規(guī)范來設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。這樣可以制定項(xiàng)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(duì)提高系統(tǒng)的質(zhì)量有很大的好處。
　　(4) SEC和OCP在UUV中的應(yīng)用必須建立在實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式和實(shí)時(shí)總線的基礎(chǔ)上，才能夠充分發(fā)揮OCP的功能。
　　(5) 目前國(guó)內(nèi)的SEC和OCP技術(shù)，與實(shí)際應(yīng)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(yīng)的新的控制技術(shù)和制導(dǎo)技術(shù)的變化等問題。在國(guó)內(nèi),這些新技術(shù)在UUV研制中的應(yīng)用雖然還是空白，但它具有廣闊的前景。
本文研究了當(dāng)前復(fù)雜系統(tǒng)控制的主流技術(shù)，即基于SEC的開放式控制平臺(tái)，并著重探討了OCP技術(shù)及其在UUV制導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)。UUV制導(dǎo)系統(tǒng)本身具有信息復(fù)雜性、不完整性和多目標(biāo)決策等特點(diǎn)，決定了其導(dǎo)引和控制的難度。由于現(xiàn)場(chǎng)總線、網(wǎng)絡(luò)控制理論的應(yīng)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(tái)和多軟件平臺(tái)，已經(jīng)構(gòu)成一個(gè)典型的異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)。對(duì)這類復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如果沒有一個(gè)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(shù)難度，也會(huì)阻礙進(jìn)一步的發(fā)展。而美國(guó)DARPA倡導(dǎo)的SEC技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一要求的有效技術(shù)之一，目前包括美國(guó)波音公司等在內(nèi)的公司正在將此技術(shù)大量應(yīng)用在UUV的控制系統(tǒng)中。
　　開放式控制平臺(tái)不是一個(gè)孤立的技術(shù)，它涉及嵌入式操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線、快速控制原型、硬件在回路仿真、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等多個(gè)方面，而這些都是目前計(jì)算機(jī)和控制中的最新技術(shù)和理論。在UUV制導(dǎo)系統(tǒng)中引入SEC和OCP這些新的理論和技術(shù)，為UUV制導(dǎo)系統(tǒng)中許多目前存在的問題提供解決問題的新途徑。