王述運(yùn) 劉劍超 岳付昌

(海軍航空大學(xué)教練機(jī)模擬訓(xùn)練中心,遼寧葫蘆島 125001)

0 引言

航空儀表是飛行模擬器重要的組成部分,飛行員在駕駛飛機(jī)過(guò)程中的各種飛行參數(shù)、導(dǎo)航參數(shù)和電氣系統(tǒng)參數(shù)等都是通過(guò)航空儀表來(lái)獲取的,在感觀上,航空儀表或者說(shuō)是圖形儀表為飛行員提供與真實(shí)飛行環(huán)境一致的儀表環(huán)境,并且,圖形儀表與視景系統(tǒng)、人感系統(tǒng)等其它系統(tǒng)相配合,模擬出飛機(jī)的飛行環(huán)境,使得駕駛員能夠快速地獲得最有用的飛行信息,從而更加有效地操縱和管理整個(gè)飛行控制系統(tǒng)。

隨著科學(xué)技術(shù)及工業(yè)的快速發(fā)展,飛機(jī)上采用的儀表結(jié)構(gòu)和形式也越來(lái)越多,機(jī)械式和電氣式儀表作為可靠性較強(qiáng)的顯示方式依然存在,但伺服系統(tǒng)式、數(shù)字化和綜合顯示的電子式儀表越來(lái)越多,這些科技含量大的儀表制作精密、原理及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制信號(hào)多樣化、成本高,考慮到諸多因素,飛行模擬器一般不會(huì)直接應(yīng)用這些高昂精細(xì)的儀表。因此,航空儀表的仿真方法研究是模擬器研制過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文以某型飛機(jī)飛行模擬器為介紹對(duì)象,總結(jié)近年來(lái)航空儀表仿真方法和思路。

1 航空儀表分類

根據(jù)航空儀表模擬仿真方法,結(jié)合飛行模擬器具體的通信協(xié)議和儀表的改裝程度,航空儀表的仿真方式大致可以分為以下三種類型:實(shí)裝儀表、虛擬儀表和半實(shí)物仿真儀表[1]。

1.1 實(shí)裝儀表

實(shí)裝儀表就是將飛機(jī)上的真實(shí)儀表指示器原封不動(dòng)地安裝到飛行模擬器上,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,有些個(gè)別儀表可能會(huì)做一些微小的改動(dòng),例如航空時(shí)鐘、伏安表指示器等。如果飛行模擬器采用與飛機(jī)相同的總線接口時(shí),就可以將飛機(jī)上的電子式儀表直接在模擬器上使用,但這樣造價(jià)比較高。

1.2 虛擬儀表

虛擬儀表,也就是儀表本身帶有輸入輸出的能力,儀表上有按鈕、旋鈕、標(biāo)度尺、圖形等功能,它主要是將計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)和儀器儀表技術(shù)結(jié)合起來(lái),使得儀表所有功能在顯示器上顯示出來(lái),可以將一塊儀表進(jìn)行虛擬,也可以將多塊儀表同時(shí)虛擬到一臺(tái)顯示器上,如果單臺(tái)儀表虛擬,儀表模板空洞處露出要顯示的虛擬儀表,比如虛擬空速表、地評(píng)議表等,除了仿真儀表外殼外,所有的顯示單元皆由計(jì)算機(jī)圖形繪制。虛擬儀表的推廣,使得飛行模擬器相關(guān)設(shè)備件越來(lái)越簡(jiǎn)單,在儀表仿真領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。但不管圖形界面做的如何逼真,虛擬儀表也不可能完全替代真實(shí)儀表,與真實(shí)儀表之間總是存在一定差距的,因此在實(shí)際飛行訓(xùn)練中,仍存在一定的局限性。

1.3 半實(shí)物仿真儀表

半實(shí)物仿真儀表,又叫模擬儀表。這類儀表的指針和刻度盤等指示部分以及外殼都與真實(shí)儀表一樣,但其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和工作原理則完全不同,如模擬應(yīng)急地平儀,里面并無(wú)陀螺,模擬進(jìn)氣壓力表中并無(wú)膜盒。半實(shí)物仿真儀表的造價(jià)和制作難度要比虛擬儀表高得多,但它解決了虛擬儀表與真實(shí)儀表在感官上存在差距的問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)半實(shí)物仿真儀表的訓(xùn)練,可以使沒(méi)有飛行經(jīng)歷的新學(xué)員,快速地沉浸到飛行環(huán)境中,建立正確的直觀印象,確保模擬飛行訓(xùn)練的真實(shí)性和實(shí)效性。

2 航空儀表的仿真方法

航空儀表的仿真,要依托于多種技術(shù)并借助許多軟件工具方能完成,其開發(fā)工作主要集中在仿真儀表指針、滾動(dòng)、旋轉(zhuǎn)顯示數(shù)據(jù)條、警告等設(shè)計(jì)與制作,外觀需要高仿機(jī)械設(shè)計(jì)制作,另外,通訊接口的開發(fā)以及外設(shè)硬件的驅(qū)動(dòng)也非常重要[2]。

2.1 實(shí)裝儀表的仿真方法

實(shí)裝儀表的仿真主要有兩個(gè)途徑:一是將飛機(jī)上的真實(shí)儀表原封不動(dòng)地安裝到飛行模擬器上,儀表本身不做任何改動(dòng),比如航空時(shí)鐘。二是只利用其儀表指示器,根據(jù)指示器的工作原理設(shè)計(jì)電路直接驅(qū)動(dòng),比如伏安表和氣缸頭溫度表等一些電流、電壓式儀表。這類儀表的仿真相對(duì)比較簡(jiǎn)單,這里不做過(guò)多的闡述。

2.2 虛擬儀表的仿真方法

虛擬儀表的開發(fā)平臺(tái)一般是在Windows系統(tǒng)下,利用Visual C++開發(fā)環(huán)境,采用Flash、GL Studio以及Open GL等虛擬仿真技術(shù)。開發(fā)流程圖如圖1 所示。

本文在繪制儀表時(shí),采用了Open GL紋理映射技術(shù)。利用Open GL紋理映射功能,能夠清晰的繪制出用來(lái)描述表表面各點(diǎn)處的反射屬性,從而達(dá)到模擬儀表表面豐富的紋理細(xì)節(jié)的目的,提高計(jì)算機(jī)生成圖形的真實(shí)性,這樣做的目的,使得儀表建模過(guò)程變得更加簡(jiǎn)化。使用紋理繪制的一般步驟為[3]:定義紋理貼圖、控制紋理、說(shuō)明紋理貼圖方式和定義紋理坐標(biāo)等。

圖1 虛擬儀表軟件開發(fā)流程圖Fig.1 Flow chart of virtual instrument software development

虛擬儀表在繪制前要對(duì)其進(jìn)行拆分,就是根據(jù)其顯示功能將一塊儀表拆分為多個(gè)能夠獨(dú)立顯示的紋理單元,每個(gè)紋理單元由兩張紋理貼圖組成:掩碼圖和元素圖。比如高度表指示器可拆分為表盤、條紋、告警旗、指針和滾動(dòng)數(shù)字五個(gè)紋理單元。

表盤的繪制過(guò)程如下:首先準(zhǔn)備兩張圖片,如圖2和圖3所示。圖2為高度表的表盤掩碼圖,透明部分為白色RGB(0xff,0xff,0xff),非透明部分為黑色RGB(0x00,0x00,0x00);圖3為高度表的表盤元素圖,透明部分為黑色RGB(0x00,0x00,0x00)。將圖2與背景圖進(jìn)行“與”運(yùn)算(GL_AND),圖3與背景圖進(jìn)行“或”運(yùn)算(GL_OR),即可完成高度表表盤的顯示。表盤的顯示效果如圖4 所示。指針等其它紋理的繪制方法與表盤的繪制方法相同。一只完整高度表的顯示效果圖如圖5所示。

虛擬儀表中儀表模板的設(shè)計(jì)與布局必須同時(shí)兼顧真實(shí)儀表的外形尺寸、真實(shí)儀表在座艙面板上的位置、顯示器可用區(qū)域尺寸及儀表模板上安裝的調(diào)節(jié)旋鈕和按鈕空間尺寸等因素。對(duì)于難以調(diào)整的儀表,可結(jié)合總體布局效果,對(duì)其尺寸和位置的可作微小的調(diào)整,但必須不能破壞座艙儀表板原有布局,調(diào)整后的整體視覺(jué)效果不能與原儀表板視覺(jué)效果有太大的差距。虛擬儀表運(yùn)行效果圖如圖6所示。

圖2 高度表表盤掩碼圖Fig.2 Mask diagram of altimeter dial

圖3 高度表表盤元素圖Fig.3 Altimeter dial element diagram

圖4 高度表表盤顯示效果圖Fig.4 Display effect of altimeter dial

圖5 高度表顯示效果圖Fig.5 Display effect of altimeter

圖6 虛擬儀表運(yùn)行效果圖Fig.6 Operation effect of virtual instrument

圖7 虛擬儀表維護(hù)界面圖Fig.7 Virtual instrument maintenance interface

繪制紋理貼圖的控制參數(shù)主要由6個(gè)要素構(gòu)成,分別為初始位置坐標(biāo)、初始縮放系數(shù)、初始旋轉(zhuǎn)角度、實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)、實(shí)時(shí)縮放系數(shù)和實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度。其中,初始位置坐標(biāo)、初始縮放系數(shù)和初始旋轉(zhuǎn)角度均來(lái)源于原儀表,其大小尺寸等數(shù)據(jù)由專業(yè)軟件根據(jù)各塊儀表在模擬儀表板上的位置和大小測(cè)試得出,并以文件的形式存于磁盤,紋理的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)、實(shí)時(shí)縮放系數(shù)和實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)則由主控計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)給出。虛擬儀表的維護(hù)界面如圖7所示。

2.3 半實(shí)物仿真儀表的實(shí)現(xiàn)方法

所謂半實(shí)物仿真,就是將控制器(實(shí)物)與在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的控制對(duì)象的仿真模型(見(jiàn)數(shù)學(xué)仿真)聯(lián)接在一起進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)[4]。半實(shí)物仿真儀表的實(shí)現(xiàn),主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:

(1)利用專業(yè)軟件和工具對(duì)實(shí)裝儀表的外形尺寸進(jìn)行測(cè)量,制作出與實(shí)裝儀表相同的表殼、表盤和指針等部件;

(2)熟悉實(shí)裝儀表功能和原理技術(shù),設(shè)計(jì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu);

(3)掌握實(shí)裝儀表的指示特點(diǎn),并根據(jù)這些特點(diǎn),設(shè)計(jì)儀表驅(qū)動(dòng)程序,重點(diǎn)考慮的是儀表指示的跟隨性和精度;

圖8 加速度表仿真外形圖Fig.8 Simulation outline of accelerometer

圖9 加速度表控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 Control structure block diagram of accelerometer

圖10 上位機(jī)控制軟件流程圖Fig.10 Flow chart of upper computer control software

(4)通過(guò)上位機(jī)控制指針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和速度,來(lái)模擬真實(shí)儀表的指示情況。

半實(shí)物仿真儀表的實(shí)現(xiàn)方法,一般采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),即由步進(jìn)/伺服電機(jī)構(gòu)成位置伺服系統(tǒng),本文以加速度表為例,說(shuō)明半實(shí)物仿真儀表的設(shè)計(jì)思路。加速度表外形如圖8 所示。加速度表的仿真控制, 實(shí)質(zhì)是一套基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

步進(jìn)電機(jī)控制器收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的角度信號(hào)后,產(chǎn)生脈沖信號(hào),送到專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)角度。由角位移傳感器產(chǎn)生反饋信號(hào),可消除因步進(jìn)電機(jī)丟步所造成的儀表指示上的誤差。另外為了提高儀表的指示精度,可采用加裝減速箱、增加驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分倍數(shù)等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

步進(jìn)電機(jī)控制器通過(guò)接收上位機(jī)的指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)方向、頻率和角度的控制。上位機(jī)采用V C++編程,程序流程圖如圖10所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以某型飛機(jī)飛行模擬器的研制為例,介紹了航空儀表仿真的一些常用方法:實(shí)裝仿真、虛擬仿真和半實(shí)物仿真。通過(guò)試飛驗(yàn)證,該模擬器的儀表仿真系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性,其跟隨性和指示精度也完全符合真實(shí)儀表的性能指標(biāo),在功能和外觀上能夠逼真地仿真該型飛機(jī)的各類儀表,完全能夠滿足模擬飛行訓(xùn)練的要求。