基于MATLAB/simulink的飛行控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

【摘 要】簡(jiǎn)要介紹了飛行控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)框架及思路，包括建立基于MATLAB/simulink飛行仿真模型的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、模擬座艙及儀表系統(tǒng)、簡(jiǎn)易視景系統(tǒng)等，充分發(fā)揮硬件在回路仿真測(cè)試系統(tǒng)軟硬件結(jié)合的特點(diǎn)，縮短系統(tǒng)研發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性。

【關(guān)鍵詞】半實(shí)物仿真 飛行控制 實(shí)時(shí)性 MATLAB/simulink

1 引言

仿真技術(shù)綜合了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中多種現(xiàn)代化專(zhuān)業(yè)手段，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域起到了極其重要的作用。半實(shí)物仿真技術(shù)是所有仿真技術(shù)中仿真置信度很高的一類(lèi)，它的應(yīng)用不僅局限于理論研究，更多被工程設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)測(cè)試使用，從早期的航空、航天逐步擴(kuò)展到今天的軍事、電子、通信、交通、艦船等多種行業(yè)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使得半實(shí)物仿真的核心——實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力得到極大提升，從傳統(tǒng)的純數(shù)字仿真逐步向人在環(huán)半實(shí)物仿真領(lǐng)域擴(kuò)展。

傳統(tǒng)物理試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)驗(yàn)證直觀、真實(shí)，但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且驗(yàn)證不充分，一旦失敗則會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至發(fā)生嚴(yán)重的事故。純數(shù)字仿真簡(jiǎn)單易懂，但難以模擬試驗(yàn)件的復(fù)雜特性，仿真精度不高。半實(shí)物仿真結(jié)合了實(shí)物試驗(yàn)和數(shù)字仿真的優(yōu)點(diǎn)，將系統(tǒng)中的部分實(shí)物引入到計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)中，既可以在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行各種狀態(tài)下的測(cè)試驗(yàn)證，又可以保證試驗(yàn)測(cè)試的可靠性和安全性。國(guó)內(nèi)外的飛機(jī)或飛機(jī)部件的供應(yīng)商在飛機(jī)的研發(fā)測(cè)試中大都應(yīng)用了半實(shí)物仿真技術(shù)。

本文旨在淺述通用的飛行控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)思路，為以后試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文飛行控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)采用一體化設(shè)計(jì)，是基于MATLAB/simulink飛行仿真模型的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的基本架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)可分為5個(gè)子系統(tǒng)：

（1） 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)：為系統(tǒng)的主體部分，完成實(shí)時(shí)仿真和信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，包括仿真主計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）、實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)（下位機(jī)）、信號(hào)轉(zhuǎn)化換算機(jī)、信號(hào)調(diào)理機(jī)箱、接線盒及附件（包括工作臺(tái)、機(jī)柜、電源、電纜等）。主要進(jìn)行飛機(jī)模型實(shí)時(shí)解算，信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換及傳遞。

（2） 綜合控制臺(tái)：由仿真測(cè)試計(jì)算機(jī)和仿真測(cè)試控制軟件組成，完成實(shí)時(shí)仿真過(guò)程中數(shù)據(jù)顯示、曲線繪制和數(shù)據(jù)管理等功能，一般放置在近試驗(yàn)人員的測(cè)控間，方便試驗(yàn)人員實(shí)時(shí)分析及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

（3） 模擬座艙及儀表系統(tǒng)：是仿真中用戶(hù)和系統(tǒng)進(jìn)行交互的設(shè)備，使系統(tǒng)支持人在回路的飛行仿真試驗(yàn)，駕駛員可通過(guò)駕駛盤(pán)（桿）、腳蹬、油門(mén)等對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操縱控制，并通過(guò)虛擬儀表顯示，對(duì)飛機(jī)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

（4） 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)：為系統(tǒng)的通訊設(shè)備，包括以太網(wǎng)和反射內(nèi)存網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的部分采用以太網(wǎng)傳輸；實(shí)時(shí)性要求較高的部分采用光纖反射內(nèi)存網(wǎng)通訊。

（5） 簡(jiǎn)易視景系統(tǒng)：模擬飛機(jī)座艙外的景象，給座艙內(nèi)的駕駛員以足夠的視場(chǎng)角的景象顯示。簡(jiǎn)易視景系統(tǒng)一般由圖形生成子系統(tǒng)、投影子系統(tǒng)、音響子系統(tǒng)組成，能接收來(lái)自實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)傳遞的飛行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行3D顯示。

2.1 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)為整個(gè)半物理仿真平臺(tái)的主體部分。本系統(tǒng)構(gòu)建引入分布式布局思想，設(shè)計(jì)一對(duì)多的分布式模式。采用RTW-xPC作為實(shí)時(shí)仿真的框架。在半物理仿真系統(tǒng)中，飛機(jī)無(wú)法以物理部件的形式出現(xiàn)，為保證實(shí)時(shí)性飛機(jī)模型需要運(yùn)行在實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)機(jī)上。飛控系統(tǒng)中其他部件的實(shí)現(xiàn)方式均有物理和數(shù)字兩種方式。當(dāng)缺少該部件時(shí)可借助實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)保證部件模型仿真的實(shí)時(shí)性，將運(yùn)行該代碼的仿真目標(biāo)計(jì)算機(jī)代替真實(shí)部件在半物理仿真系統(tǒng)中的位置。物理信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換以及物理部件在系統(tǒng)中的接口均通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)化計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

飛行仿真模型是實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的核心。在仿真主計(jì)算機(jī)的MATLAB/simulink環(huán)境下完成飛控系統(tǒng)離線和實(shí)時(shí)仿真模型的搭建，并運(yùn)行在實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)內(nèi)。模型所模擬的部件要與真實(shí)物理部件的參數(shù)一致，是對(duì)物理部件的分析、抽象而建立，是真實(shí)系統(tǒng)的近似模型。在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建模型，運(yùn)用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，便于今后對(duì)模型的修改和完善，提高系統(tǒng)的通用性。

2.2 模擬座艙及儀表系統(tǒng)。模擬座艙及儀表系統(tǒng)是半物理仿真平臺(tái)中的人機(jī)交互設(shè)備。模擬座艙采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬生成飛機(jī)在空中的飛行環(huán)境條件，使仿真人員具有身臨其境的“真實(shí)”感覺(jué)。儀表系統(tǒng)從實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上接收實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的飛機(jī)位置、姿態(tài)等信息，向駕駛員反饋飛機(jī)的實(shí)時(shí)操縱狀態(tài)和飛機(jī)飛行狀態(tài)，另一方面采樣駕駛盤(pán)（桿）、腳蹬、油門(mén)的輸出信號(hào)。當(dāng)駕駛員操縱時(shí)，反映設(shè)備狀態(tài)的模擬量輸出就發(fā)生改變，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣濾波處理后，輸出給實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。

虛擬儀表軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要采用GL Studio，它可以創(chuàng)建實(shí)時(shí)的、三維的、照片級(jí)的互動(dòng)圖形界面。GL Studio生成的C++和Open GL源代碼可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以嵌入其他視景軟件中使用，且能夠方便的被其他目標(biāo)優(yōu)化平臺(tái)使用。

2.3 簡(jiǎn)易視景系統(tǒng)。簡(jiǎn)易視景系統(tǒng)一般由視景計(jì)算機(jī)、投影系統(tǒng)、音響系統(tǒng)和視景管理軟件組成。由專(zhuān)門(mén)的視景軟件配合硬件在視景柱幕上生成3D景象。音響系統(tǒng)一般包括音響計(jì)算機(jī)、功放等，模擬飛機(jī)飛行中的各種聲音，包括那飛機(jī)起飛著陸及正常飛行的氣流聲、發(fā)動(dòng)機(jī)聲、起落架收放聲等。

3 結(jié)論

本文提供了一種通用且實(shí)時(shí)可靠的飛行控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)手段。平臺(tái)采用一體化設(shè)計(jì)原則，可以在線調(diào)參、實(shí)時(shí)查看試驗(yàn)及飛行效果，極大地提高了試驗(yàn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 銀凱科技.飛行控制集成仿真測(cè)試系統(tǒng)方案[R]. 北京：銀凱科技，2012.9.