来源：第三维度    作者：刘丽、彭晓源、王行仁    单位：北京航空航天大学 自动控制系
    摘要:结合北京航空航天大学仿真研究所开发的大型民机通用飞行仿真系统,首先介绍它的硬件系统组成、基于总线型的实时网络拓扑结构、模拟座舱的布局以及各分系统的功能和在网络节点上的分布,然后介绍了模型及主控计算机的管理方式和软件编程,最后讨论了网络通信中的几个问题,以及保证系统实时性所采取的措施。     飞行仿真器可用于对飞行员进行基本操作技能及程序飞行训练,也可用于对飞机飞行性能、飞机操纵品质、机载系统等重要分系统的性能进行分析研究,即可作为工程模拟器使用.采用工程模拟器设计研究飞机,可节省研制经费,缩短研制周期./协和0号超音速飞机使用了工程模拟器,使研制周期缩短了1/8,研制经费节省了15%.波音777飞机是飞机与飞行模拟器并行研制的典型.我国从1975年开始自行研制军用飞行模拟器,取得了很多成果.在多年从事模拟器研究的基础上,为了开展对大型民用飞机飞行模拟器关键技术的研究,采用基于局域网的分布式联网方案,自行开发了大型民机通用飞行仿真器.以下仅对其功能、布局、方案进行论述.
    1 系统的硬件构成
    该飞行仿真器由一个模拟座舱和9台高档PC机组成,分别是模型及主控计算机(简称主控计算机)、飞行管理计算机、接口系统、视景系统、仪表系统(3台)、音响系统和教员台系统.如图1所示.它们通过一个总线型拓扑结构局域网,以紧耦合方式双向实时通信,完成一台大型民机飞行仿真器的功能.
    1.1 模拟座舱
    模拟座舱的主要布局与真实飞机座舱一样.有正、副驾驶两个座椅、驾驶杆、驾驶盘、方向舵脚蹬、方式控制面板(MCP)、仪表板(正、副驾驶及中央仪表板)、前顶板、后顶板、中央操纵台和前后电子板等.
图1系统硬件构成
    在中央操纵台上有油门杆、襟翼手柄、发动机反推手柄、减速板手柄,以及飞行管理计算机控制显示组件.在自动飞行系统的MCP板上有垂直速度指轮、速度、航道、航向、坡度等的选择旋钮,飞行指引仪、自动驾驶仪、自动油门、速度选择、VOR/LOC(甚高频导航/航向信标台)、高度保持、高度层改变等多种方式电门,以及航向、航道、高度等数据显示窗.3个仪表板由3台54cm(21英寸)高分辨率显示器组成,采用计算机实时图形仪表;起落架手柄指示灯及指点信标台灯均安装在仪表板上.在前顶板、后顶板、后电子板上有用于导航系统、发动机系统的各种开关、电门、旋钮,用于导航方式频率选择、工作模式选择等.
    模拟座舱内的数字式仪表实时显示各种飞行参数,各种指示灯指示各分系统工作状态和自动飞行导航工作模式.
    1. 2 模型及主控计算机节点
    大型民用飞机及飞行模拟器的结构、功能均很复杂,我们开发的飞行仿真器的任务是以研究大型民用飞机飞行动力学和机载电子、导航和自动飞行系统的功能、仿真模型及应用软件为主,因此,在该节点中包括飞行、发动机、惯导、无线电导航、自动飞行、简易操纵等系统的模型及应用程序,以及完成对整个系统的实时管理、通信管理、调度和监控.
    1.3 视景系统节点
    该节点由一台PC机、一块三维图形加速卡和一个高分辨率显示器构成.采用计算机成像技术生成三维实时图像,包括机场跑道、地形、地貌、天空、灯光、建筑物等景物,给飞行员提供视觉动感和飞机飞行时舱外视景的实时变化.
    在座舱外有高分辨率投影仪和大屏幕,视景也可通过投影仪在大屏幕上显示.
    1.4   仪表系统
    仪表系统包括3个仪表节点,每个节点由一台PC机、一块图形加速板和一个显示器组成.仪表系统利用计算机图形来仿真各种航空仪表.图形仪表的指针及活动部分由网上发来的飞行参数驱动和更新,这种图形仿真仪表造型逼真,指示准确,易于更换和修改,可存于仪表库中,根据不同仿真对象的需要进行调用,或依据需要任意布局和编排.
    仪表库中的仪表包括各种大气系统仪表,以及用于飞控和导航的多功能仪表,如姿态指引仪(EADI)、水平状态仪(EHSI)、无线电磁指示器(RMI)等.可根据仿真飞机的类型,选择相应的图形仪表进行布局,并调用相应飞机的数学模型,就可做到一机多用,仿真不同的飞机.
    正、副驾驶的仪表板显示相同的内容,为驾驶员提供飞机的高度、速度、升降速度、俯仰角、滚转角、航向等信息.中央仪表板提供发动机系统参数显示.
    1.5 教员控制台节点
    在以训练为目的的飞行仿真器中,教员要实时监控学员的操作,设置不同故障,了解飞行参数的变化,把监控的结果反馈给学员.
    该节点采用触摸屏控制显示方式,通过页面选择完成各种设置和控制,如飞行状态设置、故障设置、课程设置、复位、飞行重新定位、系统性能检测指令,以及系统冻结和锁定等控制.
    教员控制台还可实时显示、记录仿真结果,可以实时监控并调整仿真实验.
    1.6 飞行管理计算机仿真节点
    飞行管理计算机系统由飞行管理计算机(FMC)和控制显示单元(CDU)组成.FMC主要执行性能管理、导航、导引计算的工作.
    飞行员通过CDU把飞机的起飞机场、目的地机场、规定的飞行航路和航路点信息、以及有关性能参数输入FMC仿真系统,FMC能实时提供航向基准及纵向飞行剖面基准参数,并能计算出整个航线的最经济速度和巡航高度,连续计算出推力限制值,送出指令到自动飞行系统的自动驾驶和自动油门系统.惯性基准系统和无线电导航系统能准确地计算出飞机在飞行中的瞬时位置,由自动飞行系统修正飞机在航向和纵向相对标准轨迹的偏差.
    1.7 接口系统节点
    接口系统由一台工控机组成,内部可插多块接口板,用来进行模拟量和开关量的输入、开关量的输出,并控制数码管的显示.在接口系统中,采集油门杆、驾驶杆、驾驶盘等操纵系统的模拟输入信号,以及MCP板、仪表板、前顶板、后顶板和前后电子板的数字输入信号,将这些控制信号通过网络传送给主控计算机.同时,接口系统还接收来自主控计算机的数据,控制模拟座舱内相应的显示灯的亮灭,并控制MCP板上数据显示窗显示相应数据的值.
    1.8 音响系统节点
    飞行仿真器在飞行过程中,不仅给飞行员提供逼真的视觉效果,而且要有逼真的音响效果,使飞行员有身临其境的感觉.
    音响系统由一台PC机和声卡构成.音响系统计算机通过网络接收来自于主控计算机的发动机转速等与音响系统有关的数据,进行声音合成,并通过声卡播放,给飞行员提供各种音响效果.
    2 系统的软件组成
    该仿真器的仿真软件除了仪表系统的图形仪表软件、视景系统的计算机成像软件之外,大量的软件是主控计算机中的管理软件和各分系统的应用软件.
    主控计算机是整个仿真系统的核心.它的管理软件完成系统的初始化、系统定时、网络管理、调度各分系统的应用软件、监控系统运行、记录和输出仿真结果等工作.主要程序流程示于图2.在每个周期内,它通过网络接收接口系统节点发送的来自于操纵系统及自动飞行系统的模拟和开关输入信号,调度各分系统的应用软件,解算飞机的运动方程,记录仿真结果,用三维曲线显示飞行轨迹,并通过网络把飞机主要性能参数发送给其它仿真节点,驱动仪表、视景、音响系统实时同步运行.它可通过网络接收教员台的指令,进行初始参数设置和修改模拟器的运行状态.管理软件在Windows98或NT平台下用VisualC++编程实现.
图2 管理程序流程图
    主控计算机中,一个主要问题是Windows环境下的定时问题.Windows98系统中提供了一个定时器,但这个定时器产生的WM_TIMER消息在消息队列中的优先级别比较低,可能得不到及时处理而影响系统的实时性.Windows98通过多媒体编程函数提供了高精度的定时器的底层编程接口,该定时器与Windows常规定时器相比,不仅定时精度高,而且该定时器是基于中断方式进行的,工作方式类似于DOS下的软中断,可通过中断服务函数的方式取得控制权来保证系统的实时性.
    应用软件包括飞行系统、发动机系统、操纵系统、无线电导航系统、惯导系统和自动飞行系统等系统软件.各分系统由各自的本地管理程序按不同速率调度不同模块,实时运行.为了利用原有软件资源,应用软件采用MicrosoftPowerStationFortran和VisualC++编程.
    3 网络通信
    3.1 网络应用编程接口(API)的选择
    NetBIOS接口是计算机设备和应用程序进行通信的软接口,它是在DOS、Windows98和NT环境中一个常用的网络API.NetBIOS接口位于OSI参考模型的传输层和会话层,利用它开发的应用程序基本上与网络底层无关,这使NetBIOS应用程序具有良好的通用性和可移植性.
    该飞行仿真器中,仪表、教员台和飞行管理计算机节点的应用程序在DOS环境下运行,而主控计算机、接口、视景等其它节点在Windows98或NT环境下运行.因此,在该局域网中采用IPX/SPX协议支持下的NetBIOS接口实现DOS与Windows之间的实时通信.
    现在,在DOS环境下节点的应用程序正向Windows环境转换,此时仍可采用NetBIOS接口进行通信,也可使用TCP/IP协议支持下的Sock2ets接口达到实时通信的目的.
    3.2 网络管理
    网络管理是主控计算机管理软件的另一个主要问题.该训练器中包含的节点较多,不同的节点需要传输不同的数据,主控计算机节点要把飞机主要性能参数发送给其它节点,并受某些节点的控制,根据它们的设置改变程序流程.如果网络管理不当,不仅影响系统的实时性,还会引起数据丢失等许多问题.
    该仿真器中,主控计算机与接口、FMC、教员台节点之间要进行双向通信,接收接口系统采集的A/D及DI数据、FMC的控制信息和教员台的各种设置和指令,并把运算结果送给各个节点.仪表、视景和音响节点只需接收并显示主控计算机的计算结果,而不需向主控计算机发送数据.在这样一个网络系统中,采用/一点定时,多点跟随0的方法进行管理,实现仿真网络的实时通信.
    主控计算机是该网络内的主节点,以该节点的时钟作为网络内各节点的时间管理和同步基准.每个节点都定义自己的数据包.
    当网络开始运行时,除主节点以外的节点都处于接收状态.这些节点中的通信程序反复查询网络设备,随时准备接收来自主节点的数据.在主节点的通信程序中,有一个精确的定时程序.当定时时间到时,主节点的通信标志有效.
    对于单向传输数据的节点,主节点以广播方式向各节点发送数据包.
    对于需双向传输数据的节点,主节点以一定的顺序分别向这些节点发送数据.这些节点收到来自主节点的数据包后,立即向主节点发出自己的数据包.主节点分别接收其它节点的数据包,用其中的数据更新自己的数据包或更新程序中的某些参数.
    3.3 实时性考虑
    对于实时仿真系统,尽可能节省时间是非常重要的.在应用软件中,采用模块化、层次化程序设计,对不同模块采用不同速率进行调度.
    在网络通信方面,减少传输数据和传输距离,可节省通信时间.本系统中所有节点的计算机连接成一个局域网.在局域网内,通信距离短,可获得高数据传输率、低延时及低误码率.同时,为了减少网上传输的数据量,局域网内没有采用标准PDU的形式,而是只传送那些反映仿真器状态的参数,所传送的数据是完备、少冗余的.
    该系统需要输入、输出的模拟量和开关量非常多,需占用大量时间,这些数据采集和输出的工作放在接口计算机中进行,飞行方程解算等工作放在主控计算机中完成,这样,两台计算机并行工作,通过网络传输数据,可节省很多时间.此外,在接口系统和主控计算机通信之前,分别对本节点的逻辑量(开关量)进行数据处理,将多个逻辑量转换成一个整型量,然后把这些整型量放在数据包中通过网络送给对方,这样可减少网上传输数据,节省时间.在对方程序中,再进行逆变换,把整型量恢复成逻辑量,赋值给相应变量或输出.
    该系统的采样周期为50ms,各节点通信占用时间少于6ms,能满足系统实时性要求.
    4 结束语
    采用文中所述的硬件结构和计算机网络通信方案,保证了系统的实时性,使模拟座舱内的飞行员有身临其境的感觉.该飞行仿真器易于实现功能扩展,可用于学员的基本操作技能和飞行训练,对民用飞机的建模与仿真、机载电子系统的性能、飞机的飞行性能等的分析研究,并可做为分布交互仿真系统中具有人2机交互功能的仿真节点.
    参考文献
    [1]王行仁.飞行实时仿真系统及技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.
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