飛行模擬機(jī)仿真地平儀的設(shè)計

肖志堅

(中國民航飛行學(xué)院 模擬中心，廣漢618307)

0 引 言

空客A320 飛行模擬機(jī)是在地面進(jìn)行空中飛行駕駛和訓(xùn)練的必不可少的設(shè)備，它是對真飛機(jī)駕駛艙一比一的仿真，而地平儀是飛行員在空中判斷飛機(jī)飛行姿態(tài)不可缺少的儀表［1－2］，目前大多數(shù)飛行模擬機(jī)上使用的地平儀都是采用真飛機(jī)儀表，不僅價格昂貴，也不利于維修［3－6］。為此，設(shè)計一種模擬機(jī)上使用的仿真地平儀有著重要的意義。系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理器和高性能微型步進(jìn)電動機(jī)來實現(xiàn)當(dāng)飛機(jī)俯仰和傾斜時地平儀的姿態(tài)控制，并利用閉環(huán)控制和電機(jī)升降頻技術(shù)來實現(xiàn)高精度的姿態(tài)顯示。

1 設(shè)計方案

1.1 步進(jìn)電動機(jī)閉環(huán)控制

當(dāng)飛機(jī)飛行姿態(tài)改變時，地平儀會隨著飛行姿態(tài)變化自動調(diào)整其位置顯示，因此，它需要響應(yīng)速度快、精度高的電機(jī)來實現(xiàn)該功能。經(jīng)分析，VID29 －05 高性能微型步進(jìn)電動機(jī)不僅能將電脈沖輸入信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移加以輸出，且能驅(qū)動離散型的自動執(zhí)行元件，并具有較高的定位精度，能夠滿足仿真需要。因此，本文采用高性能微型步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動部件。

因仿真地平儀需要實現(xiàn)高精度的位置控制，系統(tǒng)采用步進(jìn)電動機(jī)閉環(huán)控制。閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖1所示，地平儀采用光電編碼器作為位置檢測元件，該閉環(huán)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電動機(jī)、驅(qū)動器和光電編碼器構(gòu)成。光電編碼器與步進(jìn)電動機(jī)主軸直接相連來檢測位置，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)每運動一步，光電編碼器就能給出一個或多個脈沖，通過脈沖負(fù)反饋來響應(yīng)電動機(jī)的位移。

圖1 地平儀步進(jìn)電動機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)框圖

1.2 步進(jìn)電動機(jī)升降頻控制

步進(jìn)電動機(jī)升降頻控制的核心是實現(xiàn)電機(jī)快速、準(zhǔn)確的定位，通常來講就是在電機(jī)不發(fā)生失步、過沖和震動等現(xiàn)象的情況下，以最快的速度運行到指定的位置［7］。

飛行模擬機(jī)地平儀要求在飛機(jī)飛行姿態(tài)改變時，地平儀指示器應(yīng)迅速與飛行姿態(tài)保持一致，因此要求步進(jìn)電動機(jī)在最短時間內(nèi)精確到達(dá)指定位置?？紤]到步進(jìn)電動機(jī)起動時，其靜態(tài)慣量比較大，應(yīng)以較小的加速度升頻;而當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)停止時，其輸出轉(zhuǎn)矩已大幅減小，此時也需要較小加速度，否則就容易發(fā)生過沖。

綜上考慮，為了確保步進(jìn)電動機(jī)在加速曲線的起始和結(jié)束階段保持低速運行，保證電機(jī)的準(zhǔn)確起停，因此決定采用分段升降頻方案，如圖2 所示，即在開始(t0～t1)和結(jié)束(t2之后)階段采用拋物線升降頻方案，在中間階段(t1～t2)采用直線升降頻方案。

圖2 步進(jìn)電動機(jī)升降頻示意圖

開始階段升頻方程:

中間階段直線升降頻方程:

結(jié)束階段降頻方程為:

式中:f 為運行頻率，f0為初始頻率，t0為初始時間，b是拋物線升頻加速度，a 為直線升頻加速度，c 為常數(shù)，f2為拋物線降頻突變頻率。

2 仿真地平儀硬件設(shè)計

由于地平儀具有俯仰角、傾斜角、側(cè)滑角和故障指示等多項功能，因此，仿真地平儀的核心控制元件采用能完成復(fù)雜控制的dsPIC30F4011 數(shù)字信號處理器。

仿真地平儀工作原理框圖如圖3 所示。飛行控制主計算機(jī)與數(shù)字信號處理器之間的通信采用RS－232 串行通訊方式。當(dāng)?shù)仄絻x上電后，數(shù)字信號處理器進(jìn)行自檢，完成后，步進(jìn)電動機(jī)回到零點位。當(dāng)飛機(jī)飛行姿態(tài)變化時，飛行控制主計算機(jī)發(fā)出的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)絛sPIC30F4022 處理器，控制器根據(jù)該數(shù)據(jù)信號控制步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動減速器，再帶動俯仰或傾斜指針轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)高精度的位置控制，達(dá)到俯仰角和傾斜角的精確指示。側(cè)滑角是信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過放大器，來驅(qū)動側(cè)滑角指針，實現(xiàn)該功能。當(dāng)接收到主計算機(jī)的故障信號時，數(shù)字信號處理器驅(qū)動直流電機(jī)，在儀表盤中顯示彈出故障旗，當(dāng)故障消失后，數(shù)字信號處理器再驅(qū)動電機(jī)將故障旗收回。

圖3 仿真地平儀工作原理框圖

3 軟件設(shè)計

飛行模擬機(jī)仿真地平儀軟件設(shè)計，主要是針對dsPIC30F4011 數(shù)字信號處理器的軟件設(shè)計和開發(fā)。固件代碼基于Microchip 公司的MPLAB IDE V8．80集成開發(fā)環(huán)境，利用C 語言編寫程序，使用C32 編譯器編譯，并采用模塊化的設(shè)計思想設(shè)計軟件。仿真地平儀控制軟件流程圖如圖4 所示，軟件設(shè)計主要包括五大模塊:主程序模塊、俯仰角控制程序模塊、傾斜角控制程序模塊、側(cè)滑角控制程序模塊和故障旗控制程序模塊。

圖4 仿真地平儀控制軟件流程圖

當(dāng)仿真地平儀上電工作時，先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，并對系統(tǒng)各變量、寄存器初始化，各指針回零，判斷狀態(tài)標(biāo)志位是否等于1，如果為1，對姿態(tài)的變化進(jìn)行判斷，運行俯仰角或傾斜角控制程序模塊，如果不為1，再對側(cè)滑角或故障旗進(jìn)行判斷，運行側(cè)滑角或故障旗控制程序，整個程序運行時通過中斷函數(shù)來實現(xiàn)子程序的跳轉(zhuǎn)、接收和發(fā)送命令。

4 測試結(jié)果

將仿真地平儀安裝到空客A320 全動飛行模擬機(jī)上進(jìn)行了長期的飛行訓(xùn)練，并通過3 000 多小時的模擬機(jī)飛行測試。測試結(jié)果表明，該仿真地平儀完全滿足飛行模擬機(jī)使用的設(shè)計要求，成功替換現(xiàn)有模擬機(jī)用真飛機(jī)地平儀，且具有以下特點:①采用dsPIC30F4011 數(shù)字信號處理器，處理速度快，地平儀的響應(yīng)速度同樣也快;②相對于價格高昂的進(jìn)口地平儀，仿真地平儀結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉;③高性能微型步進(jìn)電動機(jī)的閉環(huán)控制和分段升降頻的設(shè)計方案，使得仿真地平儀精度更高;④長期運行測試證明可靠性高，故障率低。

5 結(jié) 語

針對目前空客A320 飛行模擬機(jī)上使用的真飛機(jī)地平儀存在價格昂貴、不易維修等特點，設(shè)計了一種仿真地平儀。dsPIC30F4011 數(shù)字信號處理器與高性能步進(jìn)電動機(jī)閉環(huán)控制相結(jié)合的分段升降頻設(shè)計方案使得該仿真地平儀響應(yīng)速度快、故障率低。對該地平儀硬件設(shè)計、軟件設(shè)計做了全面介紹，且試驗效果符合預(yù)期。仿真地平儀價格低廉、響應(yīng)速度快、可靠性高，填補(bǔ)了國內(nèi)仿真地平儀研制的空白。它不僅可替代國外模擬機(jī)用真飛機(jī)地平儀，也可以用在國內(nèi)生產(chǎn)的模擬機(jī)上，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］ 王行仁．飛行實時仿真系統(tǒng)及技術(shù)［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1998:8－20．

［2］ 陳又軍．現(xiàn)代飛行模擬機(jī)技術(shù)發(fā)展概述［J］．中國民航飛行學(xué)院學(xué)報，2011，22(2):25－27．

［3］ 劉丹．飛行模擬器航空地平儀控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］．青島大學(xué)，2005，1－8．

［4］ 徐強(qiáng)，顧宏斌，高振興．飛行模擬器座艙儀表通信技術(shù)研究［J］．信息技術(shù)，2012(1):1－3．

［5］ 劉國慶，李哲煜．某型飛機(jī)模擬訓(xùn)練器虛擬儀表系統(tǒng)的研究［J］．微計算機(jī)信息，2010，26(6－1):110－111．

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