開放式控制平臺及其在無人潛航器制導(dǎo)系統(tǒng)中的

　　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)提供對象間信息流通所需的通路，不同硬件平臺在傳遞參數(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(fù)責(zé)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(dāng)出現(xiàn)傳感器故障時(shí)，該層還負(fù)責(zé)信息融合、傳感器故障的識別、隔離和信號的重構(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(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，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，目前國外有關(guān)SEC和OCP的研究報(bào)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(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，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)具有多硬件平臺和多軟件平臺，已經(jīng)構(gòu)成一個(gè)典型的異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)。對這類復(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，也會阻礙進(jìn)一步的發(fā)展。而美國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。

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