飛行模擬機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)實(shí)時(shí)管理軟件研究

安蕾

摘 要：運(yùn)動系統(tǒng)是飛行模擬裝置的重要組成部分，其運(yùn)動性能的好壞直接影響到模擬機(jī)的仿真度。本文研究運(yùn)動系統(tǒng)的實(shí)時(shí)管理軟件，對實(shí)時(shí)管理軟件各模塊進(jìn)行詳細(xì)的分析。

關(guān)鍵詞：飛行模擬機(jī)；運(yùn)動系統(tǒng)；實(shí)時(shí)管理軟件

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來由于科學(xué)研究的需求和高新技術(shù)的進(jìn)步，以飛機(jī)模擬機(jī)為代表的六自由度運(yùn)動模擬機(jī)得到迅速發(fā)展。人們利用運(yùn)動模擬機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，開展培訓(xùn)活動，成為當(dāng)今科研、培訓(xùn)不可或缺的裝備。飛行模擬機(jī)是典型的人在回路實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用實(shí)例，作為飛行模擬機(jī)載體的并聯(lián)六自由度運(yùn)動系統(tǒng)是飛行模擬機(jī)非常重要的組成部分，其本質(zhì)是由數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制并能提供俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、升降、縱向平移和側(cè)向平移的六自由度瞬時(shí)過載仿真設(shè)備。

計(jì)算機(jī)將飛行軟件送出的有關(guān)飛行參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與計(jì)算，形成驅(qū)動每根作動筒的指令，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，成為模擬信號，經(jīng)放大后驅(qū)動伺服組件，而作動筒的位移反饋信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到，開關(guān)量輸入用于狀態(tài)檢測，而開關(guān)量輸出用來控制運(yùn)動系統(tǒng)的狀態(tài)或顯示有關(guān)信息。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要是由Intel 86/330A實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)、ST732模/數(shù)轉(zhuǎn)換板、JT728數(shù)/模轉(zhuǎn)換板、ISBC519開關(guān)量輸入輸出板、CRT顯示器、打印機(jī)組成。

運(yùn)動系統(tǒng)由Intel 86/330A微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制，該機(jī)配置的RMX86操作系統(tǒng)具有可配置性、可擴(kuò)展性、系統(tǒng)中斷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。

運(yùn)動軟件是在RMX 86操作系統(tǒng)環(huán)境中運(yùn)行的，在配置用戶系統(tǒng)時(shí)，核心程序是必不可少的，為了提高運(yùn)行速度，減小所占內(nèi)存空間，只用到了基本I/O這一層。該套軟件是用PSM-86語言編寫的，并用了作業(yè)（IOB）、任務(wù)（TASK）、信箱（MAILBOX）、信號量（SEMAPHORE）、元（UNIT）、段（SEGMENT）等目標(biāo)。

實(shí)時(shí)管理軟件的重要管理對象——運(yùn)動軟件以過程的形式出現(xiàn)，由實(shí)時(shí)控制任務(wù)實(shí)現(xiàn)調(diào)用。這些子過程包括：重心變換與濾波子過程，平動清洗子過程，轉(zhuǎn)動信號形成子過程，作動筒伸長變換子過程等。

1 實(shí)時(shí)管理軟件的初始化任務(wù)

其中初始化任務(wù)的功能就是向根作業(yè)報(bào)告并生成本用戶作業(yè)，然后生成開機(jī)自檢、動態(tài)自檢、人機(jī)對話3個(gè)任務(wù)。最后刪除自身。

開機(jī)自檢任務(wù)實(shí)現(xiàn)平臺運(yùn)動學(xué)的靜態(tài)檢測，從DI讀入系統(tǒng)有關(guān)的狀態(tài)信息，并加以判斷，如果出現(xiàn)故障，將故障源經(jīng)DO送至數(shù)碼管顯示，并在CRT上顯示、打印。若一切正常，則向SGMAPHORE7發(fā)送一元，且向DO送出系統(tǒng)復(fù)位、啟動指令，由硬件電路實(shí)現(xiàn)平臺升起過程。然后刪除自身。

動態(tài)自檢任務(wù)在接收到來自于SGMAPHORE7的一個(gè)元后，便被激活。升起過程中，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)檢測，對發(fā)現(xiàn)的故障即使做出處理，待系統(tǒng)一切正常后，便向SGMAPHOPE8送一個(gè)元，并向數(shù)碼管送出檢測成功的信息。然后自刪。

2 實(shí)時(shí)管理軟件的人機(jī)對話

人機(jī)對話任務(wù)在接收到SGMAPHORE8中的一個(gè)元后，立即投入運(yùn)行。通過人機(jī)對話確定平臺運(yùn)動模型、顯示打印周期，并生成異常處理、故障處理、時(shí)鐘管理、中位調(diào)整、實(shí)時(shí)控制、顯示打印等6個(gè)子任務(wù)，掛起中位調(diào)整任務(wù)后自刪。

3 實(shí)時(shí)管理軟件的故障處理

異常處理任務(wù)是對外界異常情況進(jìn)行處理。當(dāng)從鍵盤敲入CTR-C后，則SGMAPHOREC中便獲得一個(gè)元，等待在SGMAPHOREC中的異常處理任務(wù)收到這個(gè)元后，便全部關(guān)掉運(yùn)動系統(tǒng)，并在CRT上顯示“SOMETHING EXCEPTIONAL HAPPENED”，之后關(guān)閉顯示打印的文件連接，刪除本作業(yè)。

故障處理任務(wù)在接收到SGMAPHORE9中的一個(gè)元后，投入運(yùn)行，首先從A/D、DI中讀入有關(guān)信息，然后關(guān)掉運(yùn)動系統(tǒng)。在調(diào)用A/D故障查找過程、DI故障查找過程、找出故障源并顯示打印出故障源后，關(guān)閉顯示、打印文件連接，刪除本作業(yè)。

4 實(shí)時(shí)管理軟件的時(shí)鐘管理

時(shí)鐘管理任務(wù)就是要對控制軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，當(dāng)進(jìn)入運(yùn)行后，首先等待由實(shí)時(shí)控制任務(wù)，中經(jīng)調(diào)整任務(wù)，顯示打印任務(wù)這3個(gè)任務(wù)向SGMAPHORE10發(fā)送的三個(gè)元。然后進(jìn)入主循環(huán)過程，即向SGMAPHORE2發(fā)送一個(gè)元，休眠一個(gè)采樣周期后再向SGMAPHORE2發(fā)送一個(gè)元。此循環(huán)只在被其他任務(wù)掛起時(shí)暫停，其他情況下則無限循環(huán)下去。

5 實(shí)時(shí)管理軟件的中位調(diào)整

中位調(diào)整任務(wù)在做完必要的準(zhǔn)備工作后，立即向SGMAPHORE1發(fā)送一個(gè)元，并掛起自己。一旦被實(shí)時(shí)控制任務(wù)解掛后，即進(jìn)入主循環(huán)過程。中位調(diào)整完畢后再次自掛，并由人機(jī)對話決定是繼續(xù)飛行（向SGMAPHORE A送一個(gè)元），還是刪除本作業(yè)結(jié)束運(yùn)行。在主循環(huán)過程中，若顯示打印周期到，則向SGMAPHORE B送一個(gè)元。

6 實(shí)時(shí)管理軟件的實(shí)時(shí)控制

實(shí)時(shí)控制任務(wù)在做完必要的準(zhǔn)備工作后，向SGMAPHORE1送一個(gè)元，然后進(jìn)入主循環(huán)過程。從SGMAPHORE2接收一個(gè)元，讀入DI及AD量，并判斷是否有故障發(fā)生，若有則向SGMAPHORE9發(fā)送一個(gè)元，并刪除本任務(wù)。若系統(tǒng)正常則調(diào)用運(yùn)動系統(tǒng)全過程，并將控制量經(jīng)DA送出。若需打印且打印時(shí)間到時(shí)，向SGMAPHORE B送一個(gè)元。當(dāng)飛行結(jié)束后，解掛中位調(diào)整任務(wù)，待平臺回中后，中位調(diào)整任務(wù)可由人機(jī)對話來決定是繼續(xù)飛行，還是結(jié)束飛行，若要繼續(xù)飛行，向SGMAPHORE A送一個(gè)元，此時(shí)，等待SGMAPHORE A中的實(shí)時(shí)控制任務(wù)將獲得此元，在重新初始化各參數(shù)后，再次進(jìn)入主循環(huán)過程。每循環(huán)一次后，都要向SGMAPHORE 2中等待一個(gè)元，這樣就可以保證程序的約定采樣周期運(yùn)行。

顯示打印任務(wù)在做完必要的準(zhǔn)備工作后，向SGMAPHORE 1送一個(gè)元，然后在SGMAPHORE B中等待一個(gè)元。接到元后，將待顯示打印的數(shù)據(jù)送到緩沖單元，并送顯示打印。而后又繼續(xù)在SGMAPHORE B等待元。

如上所述的各任務(wù)中，初始化任務(wù)是首先投入運(yùn)行的，它由根作業(yè)生成。在根作業(yè)接收到用戶作業(yè)初始化完畢的信息，并進(jìn)行完BIO等其他作業(yè)的初始化后，就將控制權(quán)交給用戶作業(yè)，初始化任務(wù)生成的3個(gè)任務(wù)：開機(jī)自檢任務(wù)、動態(tài)自檢任務(wù)和人機(jī)對話任務(wù)，所做的均是平臺運(yùn)行前的準(zhǔn)備工作。準(zhǔn)備工作完畢，則刪除自身，并不參與實(shí)時(shí)運(yùn)行。由人機(jī)對話生成的任務(wù)中，異常處理任務(wù)具有最高優(yōu)先級，其次是故障處理任務(wù)、時(shí)鐘管理任務(wù)，而實(shí)時(shí)控制任務(wù)與中位調(diào)整任務(wù)具有相同的優(yōu)先級。優(yōu)先級最低的是顯示打印任務(wù)。當(dāng)這些任務(wù)的運(yùn)行條件均得到滿足時(shí)，優(yōu)先級的高低就決定了他們對CPU的占有權(quán)的大小。

根據(jù)香農(nóng)采樣定理和計(jì)算機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度的可能，我們采用了50ms采樣周期計(jì)算運(yùn)動驅(qū)動軟件，并由DA送出6根作動筒伸長的控制指令，來仿真飛機(jī)的俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、升降、縱向平移和側(cè)向平移。

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