开放式控制平台及其在无人潜航器制导系统中的应用

开放式控制平台及其在无人潜航器制导系统中的应用

重点分析了开放式控制平台(OCP)的基本结构和中间件技术，并针对目前无人潜航器（UUV）制导系统存在的开发局限性，提出了基于OCP的开放式无人潜航器制导系统结构和软硬件实现体系。
　　关键词:  开放式控制平台； 软件使能控制； 嵌入式操作系统； 无人潜航器

　　2004年7月波音公司首次验证有人驾驶战斗机与无人机UAV(Unmanned Aerial Vehicle)协同飞行的能力，并验证了无人机的自主控制能力，包括实时防止空中相撞能力、自主规避机动能力、自主改变航线以响应突如其来的威胁和飞行故障[1]。这次试验是作为美国国防高级研究计划局DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)提出的软件激活控制SEC(Software Enabled Control)[2]计划的一部分。SEC是重要的实时软件技术，实现SEC的关键是开发新的控制算法和软件技术。开放式控制平台(OCP)是一个开放式、基于中间件技术的软件结构和嵌入式控制系统开发平台。该项目的目标是开发和演示尖端飞行控制技术以极大地增强先进无人机的自主操作。开发的SEC软件基于波音公司的开放控制平台OCP [3]架构，OCP为快速制造原型机和轻松集成在SEC项目下开发的先进控制技术奠定了基础。OCP是面向对象的软件，它支持控制系统的软硬件跨平台的无缝连接，其目的是提升UAV的控制能力和嵌入式软件的开发、分析和测试仿真能力，并支持系统的重新配置、多平台的交互操作等。
　　无人潜航器UUV是一种主要以潜艇或水面舰艇为支援平台、能长时间在水下自主远程航行的智能化装置，可以携带多种专用设备或武器，执行特定的任务和使命。20世纪90年代，世界各主要海军国家开始关注UUV在军事领域的应用前景，并相继开发出了一批多用途的无人潜航器。与传统潜艇相比，无人潜航器具有使用灵活、隐蔽性强、适应复杂海况以及可有效减少人员伤亡的特点。因此，美国海军于1999年提出了一套完整的无人潜航器发展计划，开始大力发展军用UUV系统，并希望其能够达到与无人飞机相类似的多用途性和通用性。2005年1月，美国海军发布了新的《无人潜航器（UUV）总体规划》,该规划将无人潜航器提高到与无人机、无人战车和机器士兵研究同等重要的位置。
　　机动控制和制导技术是UUV的关键技术之一，自动化程度的高低直接决定UUV的整体性能。要求水下自主远距离航行时，在无人控制下，能自动收集并传送信息，探测、评估并主动规避威胁目标和障碍物；在出现不可预知情况及恶劣水文条件时，可根据任务目标、周围环境情况和剩余动力，迅速做出反应，自主决策，返回母舰或与其他平台合作，组成UUV编队，协同完成任务。
　　本文主要研究了OCP和SEC的基本结构、嵌入式中间件结构，结合OCP、嵌入式操作系统、实时网络等计算机技术和控制技术来分析UUV的制导系统，提出未来新型UUV制导系统一般性结构和设计的方法，实现控制算法和软硬件平台相结合的结构体系。该体系将会为开发新一代的UUV提供一个高技术的平台，并降低UUV开发的难度和费用。
1 OCP的基本结构和中间件技术
　　目前的自主航行器系统受到计算机技术、控制理论、网络通信技术和嵌入式系统的影响已经得到空前的发展和突破。其最显著的特点是系统越来越复杂，战术指标越来越高。任务的复杂性、环境的不确定性、系统内多硬件和多软件平台是目前UUV的最主要特征。这给UUV的开发带来非常大的困难，不但要求开发者有专业领域的知识，还要具备计算机操作系统和硬件的知识。如果计算机工程师向用户提供的平台包括硬件和嵌入式操作系统，并利用中间件技术隔离应用程序和操作系统，这样，UUV工程师就可以集中精力开发自己擅长的专业领域控制软件。
　　基于嵌入式系统的OCP技术在结构上与传统集中控制系统大致相同，其在操作系统之上设计有一层中间件，如图1所示。它将应用程序接口API(Application Programming Interface)与操作系统隔离，使得这种平台具备真正的开放式结构和可重新配置能力，并且适合多类型的硬件和软件平台。同时OCP的各控制单元在物理位置上可与测量变送单元和操作执行单元合为一体，可以在现场构成完整的基本控制系统。

 

　　对于开放式控制平台的无人潜航器制导系统，采用OCP的主要目的是将中间件技术引入到航行器处理系统中，包括UUV的航行管理、自动驾驶控制、系统存储器管理和武器发射控制等。
　　采用OCP中间件还包括：
　　(1) 运行时间结构和中间件。OCP使用中间件将各类不同的嵌入式系统综合在一起，控制各类软件的执行和通信。中间件的另一个重要任务是隔离应用程序和操作系统，使得用户开发应用程序时，与操作系统平台和硬件平台无关。
　　(2) 仿真环境。仿真环境则允许嵌入式系统在一个虚拟的环境中实现，例如读取航行器的各传感器信号，给执行机构发布执行指令等。
　　(3) 工具综合。工具综合提供给航行器开发者使用包括Matlab/Simulink等软件的接口，允许开发者更有效地使用　　这些工具开发航行器的嵌入式软件，如快速控制原型(RCP)、硬件在回路仿真等设计手段。
　　目前OCP的中间件技术有多种选择，较多采用的是国际OMG(Object Management Group)组织推出的分布式对象计算标准CORBA(Common Object Request Broker Architecture)。但由于通用CORBA规范并不是针对分布式实时应用而制定的，因而缺乏对可预测性、包括时间的确定性、低延迟、QoS等应有的实时特性的支持。所以，需要将CORBA技术本身进行改进和扩展，以满足分布式实时应用的需要。本质上讲，实时CORBA系统是一个面向对象的分布式实时中间件，能够支持具有不同特性的分布式实时应用系统，具有较高的性能和有效控制系统资源的能力。
　　平台无关性、语言无关性和网络协议无关性是CORBA具有的三个重要特性，它的基础核心是ORB。正是利用了CORBA基于事件通信的技术实现了OCP内部的分布式处理和内部组件之间的通信，满足了UUV复杂系统的许多要求，例如：实时路径规划、混合系统的自主管理、结构的可重新动态配置以及对UUV传感器和执行器的实时触发等。
2 开放式无人潜航器制导系统控制平台
2.1 新型UUV制导系统结构及其特点
　　UUV制导系统的复杂性主要表现在目标和UUV本体运动信息的获取、自导律和控制律的产生、作战有效性和对抗决策等。UUV系统具有多CPU硬件平台和多操作系统软件平台，各平台的通信也具有多样性，即UUV是一种典型的异构网络平台。在参考文献[4]、[5]中提出了基于现场总线和嵌入式系统的UUV制导系统结构，可以实现制导大回路一体化，但系统开发复杂，对工程师的专家知识要求很高，不利于嵌入式技术在UUV中的应用。本文在参考文献[6]的基础上提出基于SEC和OCP技术设计新型开放式UUV制导系统，正是为了解决嵌入式技术在UUV中的应用瓶颈。首先涉及到的技术就是异构平台信息的统一管理和信息融合，以便能全息地利用各类信号，支撑制导全系统的有效和可靠地运行。
　　在UUV的设计中，微处理器、微控制器、数字信号处理器等得到普遍应用，并构成多种运算处理平台。有些使用传统的DOS操作系统，有些甚至不使用操作系统。这不但带来了诸如布线、屏蔽、抗干扰、隔离地等众多问题，而且无论从重量、电磁干扰、可靠性等方面都非常不利于UUV总体性能的提高，不利于UUV武器系统的研发和生产。
　　因此，本文提出的采用现场总线、嵌入式操作系统和OCP技术，构造UUV制导系统，是因为这种新型结构具有的结构可重新配置和软件的可重用性，可以从根本上解决以上难题。
2.2  基于OCP技术的UUV制导系统
　　在现代UUV的设计中，大多以控制系统为中心，完成信号的综合、判断，协调其他各系统的动作流程。这为现场总线、嵌入式操作系统和OCP技术的采用提供了很大的便利条件，其中基于现场总线和实时多任务嵌入式操作系统的控制节点结构、网络控制系统分析在参考文献[4-6]已经进行过研究，本文将从OCP技术的角度给出控制节点结构特点和性能。
　　图1表示了基于OCP的控制节点的典型结构。与参考文献[6]中图2结构的不同之处在于：在VxWorks操作系统和应用程序之间增加了OCP中间件层，并要求用户开发的应用程序也要按照面向对象技术和层次的概念来开发，使得应用程序与操作系统分离。其次该结构可以满足基于OCP技术的要求，包括实时性、高可靠性、系统的灵活性和系统的可重新配置等。在OCP中间件层中，要求系统开发商能够向用户提供与操作系统无关的标准应用程序接口(API)。API接口包括底层I/O驱动、操作系统的管理等。标准API接口可以保证应用程序与操作系统的无关性，这样不但便于系统的开发，也便于今后操作系统的升级、应用程序的修改和升级。

　　以UUV姿态控制为例，基于OCP的控制系统的典型结构是分层控制结构。如图2所示，可以非常明显地看出,根据UUV主控节点的功能，将控制划分为三个层次：
　　(1) 系统底层控制主要完成控制系统最基本的功能，如系统的稳定性、调节时间控制等，这层是所有系统最基本的，该层也负责与节点的操作系统打交道。由于CORBA的ORB是一种软总线技术，负责提供对象间信息流通所需的通路，不同硬件平台在传递参数时均使用自己的格式，一旦进入ORB，CORBA均将其转换为一种通用的格式。因此在采用了ORB技术后，该节点的许多子程序可以被网络上其他节点调用，即使调用节点使用的软硬件平台不一致也没有关系。
　　(2） 中间层的控制作用主要是完成系统的离散事件处理，如模态的变换、故障的处理等。模态是指航行器从一种航行状态到另一种航行状态的变换。故障处理包括系统故障的识别、故障检测、故障隔离以及为了处理系统故障而采用的系统控制的重新配置。另外，该层还要负责处理来自传感器的信号，包括信号的滤波、信号的识别等。尤其是当出现传感器故障时，该层还负责信息融合、传感器故障的识别、隔离和信号的重构。
　　(3)高层控制器是UUV制导系统主控节点的中枢，功能包括系统的程序弹道设置以及为完成系统任务而需要的航程规划等。
　　主控制器节点控制算法的分层是为了适应基于嵌入式系统的OCP结构，它能完全满足图1所示的软件结构。图2的中间层和高层控制可以按所选用的ORB规范设计成通用组件模块，可供本节点使用，也可供其他节点调用。
2.3 中间件技术和异构网络及其在UUV制导系统中的作用
　　基于CORBA的OCP技术在UUV制导系统中的主要作用可以归结为两点：软总线技术和中间件技术。
　　基于OCP的嵌入式UUV制导系统软件框架的核心，是在现场总线和实时多任务操作系统基础上的分布式控制平台上的应用程序采用了实时CORBA技术，而ORB又是CORBA的核心。如前所述，ORB的作用实质上是一条软总线，所有的组件都挂接在该总线上。只要遵照规定的总线通信协议，ORB允许在不同平台下的最底层的组件能够相互通信。在TTCAN实时总线[6]的支持下，实时CORBA的中间件技术支持分布式处理和内部组件之间的实时通信，图3表示了基于ORB软总线的UUV姿态控制的结构图(其中姿态控制器组件的结构如图2所示)。

　　在图3中的软总线上有5个节点组件，系统的陀螺仪和惯性组件所敏感的信号都可以作为UUV姿态的控制信号，但陀螺仪和惯性组件所敏感的信号具有不同的精度和时间标尺。利用中间件的软总线技术系统的可重新配置功能，姿态控制器可以很容易地根据两组敏感元件的输出和系统的需求进行敏感元件的切换，而不必根据全系统的性能来决定这两个敏感元件的切换。因此，系统中的事件通道可以根据局部的需要来极小化组件的切换。
　　在计算机软硬件系统中，层次是一个非常重要的概念和技术，几乎所有的操作系统和应用软件都是按层次结构设计的。由于OCP的作用是隔离操作系统和应用组件，因此，采用这种中间件技术可以更有效地做系统开发，可以使工程师在开发应用系统时不必要有过多的操作系统知识，而可集中精力在自己的应用程序上。其次，由于采用中间件技术，OCP具有与系统无关性，这样在进行系统原理设计时，底层的平台就能够使用比较熟悉的软件系统，如Windows等，而不必要一开始就使用类似的VxWorks，以便能够更有效和更快地做出方案设计。
3 基于OCP技术的UUV制导系统的特点
　　OCP是美国DARPA的SEC规范中的一个重要部分。DARPA提出SEC的主要目的就是为了解决复杂的UAV控制问题，目前国外有关SEC和OCP的研究报告也主要集中在无人自主航行器上，包括空中航行器、地面航行器和无人旋翼飞机。出于保密的原因，尚未看到在UUV武器中的研究报告。但由以上研究可以看出，基于SEC和OCP技术的UUV制导系统有许多特点：
　　(1) SEC和OCP，包括CORBA都是一种规范，国外包括波音公司在内的许多大公司都在围绕这些规范开发自己的应用系统，开发自己的适合UUV的软硬件规范和实时总线协议规范，对于指导UUV规范的发展非常有利。
　　(2) 采用中间件技术可以有效地解决目前UUV内部的多CPU型号和多操作系统带来的问题，由此不但可以降低系统的开发成本和缩短研制时间，还可以提高系统的可靠性、可维护性和可扩展性。
　　(3) OCP使用中间件技术与操作系统无关性，可以最大限度地解决目前嵌入式系统开发的难度。在最底层的硬件和操作系统的基础上，UUV工程师可以按照规范来设计应用程序。这样可以制定项目开发规范和规章，更好地解决目前UUV武器系统开发中各自为战的局面，对提高系统的质量有很大的好处。
　　(4) SEC和OCP在UUV中的应用必须建立在实时多任务嵌入式和实时总线的基础上，才能够充分发挥OCP的功能。
　　(5) 目前国内的SEC和OCP技术，与实际应用还存在一些距离，尤其是工程化的问题、组件的数字化问题、相应的新的控制技术和制导技术的变化等问题。在国内,这些新技术在UUV研制中的应用虽然还是空白，但它具有广阔的前景。
本文研究了当前复杂系统控制的主流技术，即基于SEC的开放式控制平台，并着重探讨了OCP技术及其在UUV制导系统中的应用及关键技术。UUV制导系统本身具有信息复杂性、不完整性和多目标决策等特点，决定了其导引和控制的难度。由于现场总线、网络控制理论的应用和目前UUV武器的开发各自为战的现状，使得UUV武器系统具有多硬件平台和多软件平台，已经构成一个典型的异构性网络。对这类复杂的异构网络系统如果没有一个规范和统一的通信协议，必将使得系统控制具有很高的技术难度，也会阻碍进一步的发展。而美国DARPA倡导的SEC技术是实现这一要求的有效技术之一，目前包括美国波音公司等在内的公司正在将此技术大量应用在UUV的控制系统中。
　　开放式控制平台不是一个孤立的技术，它涉及嵌入式操作系统、实时现场总线、快速控制原型、硬件在回路仿真、网络控制系统等多个方面，而这些都是目前计算机和控制中的最新技术和理论。在UUV制导系统中引入SEC和OCP这些新的理论和技术，为UUV制导系统中许多目前存在的问题提供解决问题的新途径。

参考文献
[1] KEVICZKY T,  BALAS G J. Flight test of a receding horizon controller for autonomous UAV guidance.2005.in: American Control Conference, Portland, OR, USA，2005: 8-10.
[2] BONNIE S. Software enabled control: background and motivation. Proceedings of the American Control Conference, Arlington, VA June 2001:25-27.
[3] PAUNICKA J, MENDEL B, CORMAN D. The OCP-an   open middleware solution for embedded systems, Proceedings of the American Control Conference, Arlington, VA June 2001:25-27.
[4] 吴旭光.现场总线技术及其在鱼雷中的应用.鱼雷技术，2002(1):12-15.
[5] 王慧，吴旭光.基于嵌入式技术的鱼雷制导系统结构研究.鱼雷技术，2004(2):25-28.
[6] 吴旭光，路亚娟，唐苗.基于网络控制系统的鱼雷制导系统结构. 鱼雷技术，2005(1):18-21