基于RaspberryPi的飛控系統快速原型設計

張 治，謝 峰，董敏周，張昊迪

(1.中國空空導彈研究院， 河南 洛陽 471009； 2.西北工業大學航天學院， 西安 710129)

隨著軍事科技的快速發展，導彈控制系統的設計要求在不斷提高，控制律和制導律設計的復雜度和難度也在增加，因此，如何能在不同研發階段發現和驗證設計中的不足至關重要。快速原型的應用不僅可以驗證飛控算法的有效性和執行效率，對算法進行及時改進，而且可以指導飛控系統的硬件設計與優化[1]。在飛控系統的設計過程中，快速原型主要是在產品研發的實驗階段，將相應的控制算法加載到硬件平臺，通過實際的硬件通信接口與慣性傳感器、GPS接收機、舵機等實物相連[2]，通過模擬飛控計算機的實時仿真，來驗證算法的正確性、可靠性。基于RT_LAB實時仿真器的快速原型已經被廣泛應用于導彈控制系統的設計，該方法通過RT_LAB軟件將基于Matlab/Simulink開發的數字仿真模型加載到硬件平臺上運行，實現了數字仿真向實物仿真的轉換[3]；dSPACE實時系統也常被用于半實物仿真系統快速原型的開發，該實時系統具有計算精度高、實時性好等優點，但是也存在著開發成本高、維護性差等缺點[4]。

本文設計了一種基于RaspberryPi的低成本快速控制原型仿真系統，將基于Matlab/Simulink設計的飛控仿真模型直接加載到硬件平臺上實時運行，參與半實物仿真試驗。

1 總體方案設計

本文開發的快速控制原型仿真系統是以RaspberryPi作為硬件平臺，實現飛控數學模型的運行。RaspberryPi(樹莓派)是一款采用ARM架構處理器和Linux操作系統的卡片式計算機，外形小巧，成本低。雖然外形只有信用卡大小，但是具有強大的系統功能和接口資源[5]，如RaspberryPi 4B擁有1.5 GHz的4核64位 ARM Cortex-A72 CPU，強大的運行能力可以匹敵一般的仿真計算機；支持千兆以太網，同時外設4路USB接口，以及多路I/O接口，豐富的接口資源極大地擴展了它的使用范圍。而且樹莓派可以根據不同的使用需求安裝不同的支持系統，針對Matlab/Simulink仿真要求，樹莓派開發了相應固件支持包，可以將Matlab/Simulink仿真模型直接下載到系統中運行。

根據飛控系統半實物仿真的一般構成和快速原型開發的一般特點，結合具體的功能需求，飛控快速控制原型仿真系統包括五個部分：電源調理模塊、外部仿真參試組件、通信擴展模塊、仿真計算模塊和仿真總控平臺。其中外部仿真參試組件為半實物仿真過程中的數據發生模塊，主要包括慣導系統、GPS模擬器、舵機等[6]；為了滿足多種外部參試組件的通訊要求，設計了通訊擴展模塊，包括CAN總線接口、1553B接口、多路高速串行通訊接口RS422和多路I/O，同時為了實現舵機的控制和舵機反饋信號的采集，集成了ADC和DAC模塊；仿真計算模塊作為快速原型的核心，主要承擔飛控仿真模型的運行，而且該模塊自帶多種通信接口，尤其是千兆以太網接口，可以實現大量數據的快速傳輸，完成向總控平臺的數據傳輸；為了實現較好的人機交互，仿真總控平臺運行在Windows系統中，該平臺基于Matlab/Simulink設計，主要用于飛控仿真模型的建立，包括導彈運動學和動力學模型的建立，控制律和制導律的設計，同時作為總控平臺，實現仿真狀態的監控、仿真數據存儲和數據圖像化，如圖1所示。

圖1 飛控快速原型仿真系統總體方案框圖

2 系統硬件及軟件設計

2.1 基于RaspberryPi的仿真計算模塊開發

仿真計算模塊作為模型運行的載體，是整個快速原型的核心，本文設計了以RaspberryPi為基礎的仿真計算機。Mathwork官方已經推出了樹莓派的硬件支持包，無論是Matlab函數或是Simulink模塊，都可以完成對RaspberryPi的開發，這與飛控算法開發軟件具有高度的一致性。Simulink的樹莓派支持包提供了多種硬件通訊接口模塊，包括SPI、serial、I2C、TCP/IP、UDP和ThingSpeak等，這些接口函數降低了仿真試驗的軟件開發難度，提高了飛控系統設計的效率。

快速控制原型在該模塊的基礎上進行了擴展，充分利用了模塊中的I/O，擴展出了RS422和SPI，用于與外界的通訊。同時通過千兆以太網口實現與上位機的通訊，不僅可以完成飛控模型的下載，而且可以實現仿真數據的傳輸。以Matlab/Simulink作為導彈飛行控制系統的建模工具，利用Simulink/RTW工具的代碼自動生成功能將數學模型轉換成相應的C代碼，并加載到RaspberryPi中進行實時運行。通過高速串行接口SPI接收由通信擴展模塊采集和打包的外部傳感器數據。圖2為仿真計算模塊功能結構。

圖2 仿真計算模塊功能結構框圖

2.2 基于ARM的通訊擴展模塊設計

由于參加半實物仿真的外部組件較多，混合多種硬件接口，為了滿足豐富的接口要求，本文設計了基于ARM的通訊擴展模塊，完成了模塊中的硬件電路設計。根據外部仿真參試組件接口的具體要求，本文擴展了CAN總線、1553B總線、SPI、RS422和I/O等接口，同時集成了ADC和DAC模塊。1553B是由美國提出應用在機載設備間信息傳輸的總線標準，因其高可靠性、實時性和安全性等優點而廣泛應用于航空電子通信網絡[7]，為了方便設計和數據傳輸的可靠性，選取BST_1553B模塊作為總線驅動器，通過SPI接口與STM32F429相連。

1) STM32F429具有豐富的I/O端口，最高輸出電平和最大承受電平為3.3 V，為了滿足不同電平要求，選用光耦繼電器AQW214和HCPL-2630，通過輸出端的參考電壓Pwr_IO，將I/O的3.3V電平轉變成與Pwr_IO相等的電壓；同時利用HCPL-2630將外部電壓轉換成I/O可承受的標準3.3 V電平，具體的電路如圖3所示。

圖3 I/O擴展電路圖

2) RS422作為一種標準通訊協議，具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、傳輸速率高等優點，已經被廣泛應用于工程實踐中[8]。選用的ARM處理器為STM32F429IGT6，擁有四路USRAT和四路UART，可以擴展出多路RS422總線。選用芯片MAX490ESA作為電平轉換器，實現ARM輸出的TTL電平轉化為RS422接口標準電平，外圍添加電阻和電容，減少電信號的干擾，具體電路如圖4所示。

圖4 RS422串口通訊電路圖

3) CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，采用雙線串行方式，檢錯能力強，可在高噪聲、復雜電磁環境中工作，已經被廣泛應用于航空航天領域[9]。STM32芯片中嵌入有bxCAN控制器(Basic Extended CAN)，并且支持最高1Mbit/s的通訊速率，可以自動地接收和發送報文，支持使用標準ID和擴展ID的報文。選用芯片PCA82C250作為CAN收發器，由于STM32F429的內核電壓為3.3 V，收發器的工作電壓為5 V，為了實現兩種不同電平之間的信號傳遞及抑制CAN總線的共模電壓引起的串擾[10]，選用光耦6N137來隔離STM32F429和PCA82C250之間收發引腳的連接。同時為了濾除總線上的高頻干擾和電磁輻射，在CANH和CANL之間連接一定大小的電容和電阻。斜率電阻Rs端外接一個可變電阻，通過調節其阻值大小可以選擇PCA82C25的三種工作模式：高速工作模式、斜率控制工作模式、待機模式，具體電路如圖5所示。

圖5 CAN總線通信電路圖

4) 模擬信號的采集與輸出是快速仿真原型的必備功能。選用TI公司的DAC8563作為數模轉換芯片，該芯片為16位低功耗電壓輸出雙通道數模轉換器，支持50 MHz的SPI標準接口[11]，可實現與主控處理器STM32F429之間的快速數據傳輸。為了滿足電壓輸出范圍要求(-10 V～+10 V)，基于OPA2171AID設計了運算放大電路，以DAC8563輸出的2.5 V電壓作為參考電壓VREF，外接±15 V的常值電平，所設計的運算放大器的輸出公式為VOUT=4.7*(VIN-VREF)，具體電路如圖6所示。ADC模塊選用AD7606芯片，此芯片具有16位8通道同步采樣能力，可處理不同量程的雙極性輸入信號(-10 V～+10 V，-5 V～+5 V)，采樣速率可達200kSPS。為提高總線的負載能力，外接雙向三態數據緩存器74LS245。

圖6 D/A轉換電路圖

2.3 系統軟件設計

在導彈飛行控制系統的設計過程中，Matlab/Simulink因為其編程簡單且圖形化功能強大，已經成為最常用和最重要的工具之一，并且可安裝豐富的硬件工具包，Matlab2016及其更高版本可以支持RaspberryPi的開發。系統的軟件開發主要包括上位機即仿真總控平臺的設計、飛控仿真模型中硬件通訊模塊設計和通信擴展模塊STM32F429的開發。仿真總控平臺的功能主要是監控模型運行狀態、數據存儲和數據圖形化，根據仿真需求，設計了如圖7所示的快速原型控制平臺。

圖7 快速原型控制平臺界面

所設計的快速原型以RaspberryPi作為模型運算核心，通過通信擴展模塊完成與外部設備的通訊，通信擴展模塊作為數據處理中心，將采集到的數據整合打包成具有指定協議的幀數據，通過SPI將數據傳輸到RaspberryPi中供仿真模型使用。RaspberryPi作為主設備模式，在每一個仿真周期發送時鐘信號到STM32F429(從設備)中，并從中讀取已處理完成后的幀數據，設置SPI Master Transfer模塊的SPI時鐘模式為model1，如圖8所示。仿真數據與上位機的通訊通過網線連接，根據通訊網址要求，設置UDP Send模塊的IP地址；為了方便單獨查看或輸出某些數據，利用RaspberryPi外圍擴展的RS422通信接口，根據串口通信要求，設置Serial Write模塊的波特率、校驗位、數據位和停止位。通信擴展模塊作為從設備通過SPI與Raspberry連接，為減小CPU的負荷，采用DMA(Direct Memory Access)傳輸方式，根據外圍擴展芯片的要求，參考STM32F429技術手冊可以完成其他通信的軟件設計。

圖8 SPI時鐘模式示意圖

3 仿真試驗及結果分析

針對某一飛行控制系統的仿真，在核心控制模型的基礎上添加RaspberryPi的通訊接口模塊，如圖9所示，圖9中的RS422高度輸出模塊為RaspberryPi的串口輸出模塊，用于測試外擴RS422接口的可靠性，圖9中的UDP Send模塊主要功能為向上位機傳輸大量的仿真數據結果，用于存儲和顯示。圖9中的sfun_RaspberUartPack是使用S-Function編寫的用于數據打包的程序，通過添加幀頭、校驗和等構成上下位機約定的數據幀格式。利用轉臺、舵機負載模擬器、慣性組件和衛星模擬器等完成半實物仿真系統的搭建。

圖9 Matlab/Simulink仿真測試模塊示意圖

在控制模型建立成功和硬件系統搭建完成之后，用戶可以通過操作上位機進行仿真參數的設置和數學模型的下載，整個操作流程如下：

a) 打開模型：選擇一個基于Matlab/Simulink建立的飛行控制系統仿真模型。

b) 硬件下載配置和通訊模塊參數設置：在Simulink模型的Configuration Parameters中設置目標參數，包括硬件類型、目標IP、用戶名和密碼等；在選擇的數學模型的基礎上添加RaspberryPi通訊模塊并設置通訊參數，包括SPI時鐘模式、串口參數和UDP網址等。

c) 系統上電和通信檢測：快速原型需要28 V 5 A的電源，在上電之后，等待20 s左右，點擊上位機界面的“連接”，如若連接成功，會顯示快速原型的IP地址。

d) 模型下載：設置相關仿真參數之后，點擊模型編譯，會生成可在快速原型上執行的C代碼，并自動完成模型下載。快速原型可下載多個不同的仿真模型，不同模型之間通過模型名稱進行區別。

e) 啟動模型：以名稱作為模型標簽，一次啟動一個或多個模型，啟動之后模型按照預先設置的仿真要求進行仿真。

f) 暫停運行：暫停模型運行，使系統處于等待狀態。

g) 重啟：重新啟動硬件，需要重新與上位機建立連接。

以某彈道模型進行仿真測試，設定發射角度為45°，根據操作流程完成模型下載和運行，高度信息通過RS422串口傳送到上位機上，俯仰角和偏航角等數據通過網線傳輸到上位機，得到圖10～圖12所示的仿真結果。根據仿真結果可知，快速原型仿真與數字仿真的總體趨勢一致，只是存在噪聲干擾和部分波動，這符合硬件仿真結果，表明快速原型可以穩定可靠地完成模型仿真和算法驗證。

圖10 高度仿真結果曲線

圖11 俯仰角仿真結果曲線

圖12 偏航角仿真結果曲線

4 結論

快速原型作為控制算法設計的輔助仿真系統，可以根據仿真結果，不斷調整仿真參數，逐步完成對控制系統的優化，也可為飛控硬件系統的設計提供參考。基于RaspberryPi設計了一種新的快速原型仿真系統，擴展出豐富的硬件接口，完成了快速仿真系統軟件控制平臺的設計，根據仿真實驗可知，該系統能可靠地完成多類飛控算法的仿真任務，對其他快速原型的設計具有參考作用。