火炮内弹道仿真模型嵌入式开发研究

张宝栋

摘 要：结合对火炮初速减退量进行准确修正的迫切需求，本文对基于Simulink仿真模型的MBD开发流程进行了研究，根据已建立好的火炮烧蚀磨损内弹道仿真模型，对自动生成代码进行了参数配置，实现了仿真模型代码的自动生成，减少了系统开发周期，为模型的工程化应用奠定了基础。

关键词：内弹道模型；自动代码生成

1引言

基于模型设计的开发流程，开发人员在Simulink环境下建立仿真模型并进行仿真，进行早期设计的验证，当仿真结果符合开发要求时，使用Embedded Coder技术可自动生成嵌入式的产品级代码，应用于硬件平台上。克服了传统手工编码开发周期长、实现复杂且经常引入错误以及不易于保持MATLAB参考代码与C代码的一致性等缺点，并且可对代码进行非实时与实时环境下的验证与测试，保证了工程的可靠性和实时性，大大提高了嵌入式开发的效率，加快了开发进程。

2模型参数配置

以某型125mm高膛压坦克炮穿甲弹，标准条件下新炮起动压力约为30MPa，常温初速小于1740m/s，平均最大膛压小于等于470.4MPa，发射药为“**/**H花高”，基于MATLAB中的Simulink库建立內弹道仿真模型，根据坦克炮（新炮）的內弹道相关参数，对模型进行仿真，得到在标准条件下坦克炮内弹道的仿真结果如图1所示。

图1 某型坦克炮穿甲弹弹丸速度、膛压仿真曲线

从上图中可以看出，该型坦克炮穿甲弹弹丸初速约为1721m/s，起动压力约为30MPa，约在3.51ms处达到最大膛压464.7MPa，与该炮标准数据相吻合，证明了内弹道模型的可靠性。

3模型代码生成

建立磨损火炮的内弹道仿真模型之后，为实现模型的工程化应用，将内弹道模型应用硬件系统当中，完成射弹初速的计算功能，需要生成嵌入式代码。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，提供了三种代码的自动生成工具：MATLAB Coder，Simulink Coder和Embedded Coder，其中，MATLAB Coder可以自动实现MATLAB代码生成C/C++代码；Simulink Coder可以自动从Simulink/Stateflow模型生成C/C++代码，但以上两种工具生成的代码均不能直接用于嵌入式系统，而Embedded Coder可以自动生成可重用、结构紧凑且执行快速的实时C代码，故本文利用Embedded Coder工具完后模型代码的生成工作[1]。

在进行代码生成之前，必须对模型的参数进行配置，为生成嵌入式代码，至少需要配置3部分：模型的解算器solver，模型的系统目标文件（如ert.tlc或其他自定义的嵌入式系统目标文件），硬件实现规定（Hardware Implenmatation）[1]。

求解器solver的设置，主要包括仿真时间范围、起始和停止时间、仿真步长和选择合适的仿真解法[2]。具体操作如下：按下Ctrl+E打开模型的Configuration Parameter对话框，解算器类型选择固定点解算器，长度为0.01s，求解算法选择为Runge-Kutta法。对目标硬件规格（Hardware Implementation）进行设置，在这个选项卡中可以配置芯片的厂商和类型，设置芯片的字长、字节顺序等。最后一个关键的配置是控制整个代码生成过程的系统目标文件System Target File，ert.tlc文件是Embedded Coder提供的能够生成专门用于嵌入式系统C代码的系统目标文件，代码格式是一种专为生成产品级代码而设计的紧缩型代码格式，占用的内存较少[3]。

4代码验证

为了验证用于代码生成的模型与自动生成代码的一致性，在代码移植在底层驱动前，需要对代码进行验证，主要是为了避免代码生成过程中可能引入的错误，错误主要来源于两方面，一是来自于代码生成工具本身，代码生成工具作为一款软件，和其它软件一样，都可能存在一定的bug；二是来自于代码生成用户，代码生成过程是一个可以定制化的过程，如果定制化的过程没有经过严格、充分的验证，也很容易引入bug。因此，为了防止这类bug生成不正确的代码，在MBD开发流程中，常用软件在环测试（Software-in-the-Loop，SIL）进行模型代码验证。

5结论

本文通过对MBD开发流程进行分析，依据MBD开发流程，建立了内弹道仿真模型，仿真结果与标准数据相符，证明了模型的准确性，然后对模型参数进行配置，自动生成嵌入式代码，利用SIL软件在环仿真，对代码进行了一致性检验，为火炮领域仿真模型的工程化应用奠定了基础。

参考文献：

[1]孫君潇，Simulink仿真及代码生成技术入门到静通[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[2]陈亮，郝洪涛，倪凡凡等，双离合自动变速器系统建模与代码自动生成的研究[J].传动技术，2018，32（2）：3-12.

[3]邱宝梅，左文英，王凤娟.基于Simulink/RTW的汽车电子控制系统的研究[J].计算机测量与控制，2011，19（5）：1086-1088.