基于xPC的飛行仿真平臺設(shè)計(jì)

王振華

摘 要：設(shè)計(jì)了基于xPC目標(biāo)的實(shí)時(shí)飛行仿真平臺。該平臺采用xPC建立實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，通過反射內(nèi)存卡組成實(shí)時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)。通過RTW的自動代碼生成功能，將飛行仿真模型生成實(shí)時(shí)代碼加載到xPC目標(biāo)機(jī)，實(shí)時(shí)運(yùn)行飛行仿真模型。通過連接駕駛艙操縱設(shè)備、顯示系統(tǒng)及視景系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了逼真的飛行仿真環(huán)境。試驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺實(shí)時(shí)性強(qiáng)，通訊穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸率和準(zhǔn)確率較高，可視化效果好，具有較高的仿真置信度和可靠度。

關(guān)鍵詞：xPC目標(biāo)；反射內(nèi)存卡；飛控系統(tǒng)；飛行仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.171230

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0084-03

0 引言

民用飛機(jī)電傳飛控系統(tǒng)研制過程中，為了對總體架構(gòu)、功能、邏輯、接口、控制律等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，需要建立分析、計(jì)算、仿真及試驗(yàn)平臺，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試人員提供仿真測試環(huán)境。然而，建立真實(shí)系統(tǒng)仿真模型十分困難，純數(shù)字仿真又忽略了很多因素，如模型本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化、信號的量測噪聲、外部擾動等。因此，純數(shù)字仿真得出的結(jié)果用于實(shí)際系統(tǒng)并不理想，這就需要對系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物仿真[1-2]。

半實(shí)物仿真又稱硬件在環(huán)仿真（Hardware in the Loop，HIL），它把數(shù)學(xué)模型、實(shí)體模型和系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)系在一起運(yùn)行，組成仿真系統(tǒng)。實(shí)時(shí)性是進(jìn)行半實(shí)物仿真的必要前提。從系統(tǒng)觀點(diǎn)來看，因有實(shí)物介入仿真回路，從而使部件能在滿足系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的環(huán)境中得到檢驗(yàn)，是提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性和質(zhì)量的必要手段[3-4]。

飛控系統(tǒng)仿真測試對實(shí)時(shí)性要求較高，可以基于專用仿真機(jī)完成，如AD100、RTS620。這些仿真機(jī)相對于非專用仿真系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性好、可直接用于半物理仿真、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是價(jià)格非常昂貴，且開發(fā)維護(hù)非常困難[1，2]。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，開發(fā)廉價(jià)、高精度的實(shí)時(shí)仿真平臺成為可能。本文設(shè)計(jì)了一種基于Matlab的xPC Target工具箱設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)飛行仿真平臺，用于民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)功能驗(yàn)證等試驗(yàn)。

1 xPC目標(biāo)

xPC Target是Mathworks公司開發(fā)的基于Real-Time Workshop （RTW）體系框架的附加產(chǎn)品，可將X86計(jì)算機(jī)或PC兼容機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，且支持許多類型的I/O設(shè)備板。

xPC Target 是一種高性能的主機(jī)-目標(biāo)機(jī)原型環(huán)境，即“雙機(jī)模式”。主機(jī)和目標(biāo)機(jī)可以是不同類型的計(jì)算機(jī)。利用xPC Target可以在主機(jī)上設(shè)計(jì)模型，并用Real-Time Workshop和Stateflow Coder自動生成代碼，最后下載到運(yùn)行xPC Target實(shí)時(shí)內(nèi)核的目標(biāo)機(jī)上。用戶可以使用32位或64位x86架構(gòu)的電腦作為實(shí)時(shí)目標(biāo)系統(tǒng)，軟件運(yùn)行在32位模式下。 xPC Target通過以太網(wǎng)連接或串口線連接，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的通信。另外，使用獨(dú)立提供的 xPC Target Embedded Option，用戶可以在獨(dú)立目標(biāo)機(jī)上開發(fā)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，用于生產(chǎn)、控制、信號處理、數(shù)據(jù)獲取、標(biāo)定和測試等場合[5]。

2 仿真平臺總體設(shè)計(jì)

飛行仿真平臺包括駕駛艙操縱設(shè)備、綜合控制臺、儀表顯示系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、硬件接口系統(tǒng)、上位機(jī)、仿真目標(biāo)機(jī)等，如圖1所示。在上位機(jī)上完成飛行仿真模型的搭建（模型在Matlab /Simulink環(huán)境下搭建），所搭建的模型包括飛機(jī)本體模型、飛控系統(tǒng)模型、環(huán)境模型等飛行仿真所需模型。此外，還需要在上位機(jī)上進(jìn)行飛行參數(shù)設(shè)置、飛行路徑規(guī)劃等操作，在完成模型的參數(shù)設(shè)置后，通過RTW 將模型及參數(shù)一起下載到xPC仿真目標(biāo)機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。

側(cè)桿、腳蹬（飛行模式控制板）等操縱機(jī)構(gòu)通過信號調(diào)理板，統(tǒng)一連接到接口計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號采集卡或模擬信號采集卡，這些操縱機(jī)構(gòu)通過接口計(jì)算機(jī)和反射內(nèi)存網(wǎng)，向xPC目標(biāo)機(jī)提供各種飛行操縱信號和狀態(tài)信號，xPC目標(biāo)機(jī)也可通過接口計(jì)算機(jī)和反射內(nèi)存網(wǎng)向自動著陸燈、側(cè)桿權(quán)限指示燈和FMCP發(fā)送控制信號，控制其狀態(tài)。xPC目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行飛機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型，實(shí)時(shí)接收來自操縱機(jī)構(gòu)的信號，完成人在回路的飛行模擬仿真。

3 硬件設(shè)計(jì)

飛行仿真平臺包含實(shí)時(shí)仿真部分和顯示控制部分。飛行仿真平臺原理如圖2所示。

圖2中右下部是實(shí)時(shí)仿真部分，左上部是顯示控制部分。實(shí)時(shí)仿真部分通過反射內(nèi)存網(wǎng)和信號調(diào)理板互聯(lián)[6]；顯示控制部分通過千兆以太網(wǎng)和儀表仿真計(jì)算機(jī)互聯(lián)；xPC目標(biāo)同時(shí)連接反射內(nèi)存網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)，是仿真平臺兩個(gè)部分的橋梁，也是整個(gè)仿真平臺的核心。

實(shí)時(shí)仿真部分組成及功能描述見表1。

xPC目標(biāo)機(jī)作為實(shí)時(shí)仿真機(jī)，是整個(gè)仿真平臺的核心，和其它系統(tǒng)接口關(guān)系較為復(fù)雜，各種連接關(guān)系如下：①通過反射內(nèi)存網(wǎng)接收來自計(jì)算機(jī)的操縱信號；②通過反射內(nèi)存網(wǎng)向接口計(jì)算機(jī)發(fā)送指示燈等控制信號；③通過以太網(wǎng)向綜合控制臺發(fā)送飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，顯示相關(guān)信息；④通過以太網(wǎng)接收來自綜合控制臺信息，驅(qū)動信息顯示；⑤通過UDP向儀表控制計(jì)算機(jī)發(fā)送儀表驅(qū)動數(shù)據(jù)；⑥通過UDP通信接收來自頂部觸摸屏的控制信號；⑦通過UDP向視景計(jì)算機(jī)發(fā)送視景驅(qū)動數(shù)據(jù)。

硬件接口系統(tǒng)采用1 臺工控機(jī)采集側(cè)桿、腳蹬等信號，接口計(jì)算機(jī)上配置數(shù)字信號采集卡、模擬信號采集卡和VMIC反射內(nèi)存卡。接口計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行接口系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集側(cè)桿、腳蹬等信號，并通過反射內(nèi)存交換網(wǎng)輸出到仿真模型目標(biāo)機(jī)上。

4 實(shí)時(shí)仿真模型

在進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真之前，需要在Matlab/Simulink環(huán)境下開發(fā)各個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，如飛機(jī)本體模型、發(fā)動機(jī)模型、起落架模型、舵機(jī)模型、傳感器模型、飛行員模型、控制器模型等。各種系統(tǒng)模型和一些輔助功能模塊集成后形成數(shù)字仿真模型。在數(shù)字仿真模型的基礎(chǔ)上，將頂層輸入飛行員模塊和輸出顯示模塊替換為含硬件IO板卡驅(qū)動的模塊，即可得到實(shí)時(shí)仿真模型。

仿真模型的層次和連接關(guān)系盡量與物理系統(tǒng)保持一致。

仿真模型頂層結(jié)構(gòu)如圖3所示。頂層模型包括9個(gè)模塊：①飛機(jī)系統(tǒng)模塊：飛機(jī)系統(tǒng)模塊是頂層模型的核心，包含飛機(jī)本體模型和飛控系統(tǒng)模型；②環(huán)境模塊：環(huán)境模塊包括大氣模型、風(fēng)模型、重力模型、機(jī)場模型等，為飛機(jī)系統(tǒng)模塊提供環(huán)境相關(guān)信息；③故障設(shè)置模塊：它接收來自控制臺的故障數(shù)據(jù)，為飛機(jī)系統(tǒng)模塊提供系統(tǒng)故障信息；④視景通信模塊：負(fù)責(zé)驅(qū)動視景系統(tǒng)；⑤控制臺通信模塊：負(fù)責(zé)向控制臺發(fā)送飛行仿真數(shù)據(jù)；⑥示波器和數(shù)據(jù)存儲模塊：示波器模塊記錄主要的仿真數(shù)據(jù)；⑦模型信息顯示模塊：顯示版本、日期相關(guān)信息；⑧準(zhǔn)實(shí)時(shí)仿真模塊：可在Windows環(huán)境下，使模型近似實(shí)時(shí)運(yùn)行；⑨初始化腳本模塊：完成模型初始化功能，在此可更改初始仿真條件。

實(shí)時(shí)仿真模型通過xPC Target自動代碼生成功能，生成實(shí)時(shí)代碼并編譯鏈接后下載到xPC目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。

實(shí)時(shí)仿真軟件運(yùn)行模式為Standalone模式，開機(jī)后自動運(yùn)行，并處于待機(jī)狀態(tài)，等待接收來自試驗(yàn)總控臺的仿真控制指令。

實(shí)時(shí)仿真軟件在內(nèi)存中記錄仿真數(shù)據(jù)，仿真結(jié)束后，由程序調(diào)試計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)接收仿真記錄數(shù)據(jù)，存盤并進(jìn)行繪圖分析。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

通過建立的飛行仿真平臺，對某型飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了飛行品質(zhì)評估實(shí)驗(yàn)。以左升降舵卡阻實(shí)驗(yàn)為例，空中左升降舵突然卡阻，飛行員需按操作程序操縱飛機(jī)，維持飛機(jī)平穩(wěn)飛行。圖4是飛行員操縱及飛機(jī)響應(yīng)曲線。

試驗(yàn)中，左升降舵突然卡阻在-2°，飛機(jī)迎角、俯仰角增大，飛行員通過操縱側(cè)桿，將迎角、俯仰角恢復(fù)到平穩(wěn)飛行狀態(tài)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺實(shí)時(shí)性強(qiáng)，通訊穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸率和準(zhǔn)確率較高，可視化效果好，具有較高的仿真置信度和可靠度。

6 結(jié)語

本文構(gòu)建了一種基于xPC的飛行仿真平臺。該平臺以側(cè)桿、腳蹬等作為操縱輸入，采用xPC建立實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，通過反射內(nèi)存卡組成實(shí)時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)。通過構(gòu)建駕駛艙仿真設(shè)備、視景顯示系統(tǒng)及飛行仿真模型，實(shí)現(xiàn)了側(cè)桿操縱邏輯及飛控系統(tǒng)性能評估的實(shí)時(shí)、直觀仿真環(huán)境。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該平臺具有較高的仿真置信度和可靠度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王先澤，劉志勤，陳懷民，等.基于xPC目標(biāo)的飛控系統(tǒng)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（21）：5609-5613.

[2] 吳佳楠.實(shí)時(shí)仿真設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005，22（4）：32-35.

[3] 單家元.半實(shí)物仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[4] 王曉東，董新民，姚崇.基于xPC的飛行控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（2）：122-124.

[5] 楊滌.系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[6] 揚(yáng)飛鴻，王旭永，陶建峰，等.基于xPC和反射內(nèi)存網(wǎng)的半實(shí)物仿真[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44（7）：892-896.