飛行模擬機機械式仿真儀表的設計與實現(xiàn)

■ 李會茹 陳又軍 黃歡/中國民航飛行學院模擬機訓練中心

0 引言

隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，國內模擬機訓練中心日益增多，訓練模擬機的數量和模擬機的訓練時間呈突進式增長，隨之帶來的模擬機儀表備件消耗量十分巨大，而目前模擬機的生產商主要為CAE、TRU和L3等國外廠商，導致備件訂購和維修時間長，所費金額較大。

模擬機上的儀表可以是飛機真件也可以是仿真件，飛機真件一般價格昂貴，一旦出現(xiàn)故障需要送往專門的維修機構維修[1-3]。

仿真儀表是指對飛機儀表的原理性進行仿真，依靠內建的軟件算法和參數設定來模擬真實儀表顯示的設備[4-5]。仿真儀表分為圖形式儀表和機械式儀表。機械式儀表是指由機械裝置驅動的儀表，如地平儀、電壓表、電流表，由電機驅動儀表完成顯示。

新的法規(guī)規(guī)定，三維儀表（如機電儀表）的電子顯示圖像應具備與飛機儀表相同的三維景深，從主要操作人員的位置觀察模擬機儀表時，應復現(xiàn)與觀察飛機儀表時相同的外觀，包括因觀察角度和視差所導致的儀表讀數不準確度。共用儀表上的觀察角度誤差和視差應最小化，如發(fā)動機顯示和備用指示器等。

由于圖形儀表是完全的虛擬儀表，不能顯示視覺上的誤差，為了滿足法規(guī)要求，未來仿真儀表勢必為機械式儀表。

1 機械式仿真儀表工作原理

機械式航空仿真儀表采用數字信號處理器、步進電機以及外圍電路來實現(xiàn)儀表的仿真顯示。機械式航空儀表通常分為兩類，一類是非指針式儀表，如地平儀、水平狀態(tài)指示儀，一類是指針式儀表，如空速表、電壓表等。指針類航空儀表的應用最為廣泛，數量較多。同時，指針式儀表還可通過更改表盤，快速改裝為同系列的其他儀表[6]。

機械式儀表設計中的關鍵部件為步進式電機，步進電機可以將電脈沖信號轉換為角位移或者線位移輸出，用來驅動連接的執(zhí)行元件（如儀表指針）[7]。一般，通過控制步進電機的轉動角度來控制角位移輸出值[8]。當脈沖信號的頻率太快，步進電機會產生“丟步”現(xiàn)象，需要由電機驅動器進行控制。電機驅動器向步進電機發(fā)出方向指令和脈動指令，步進電機接收到信號并對之處理后，驅動執(zhí)行元件指針的旋轉量。此外，執(zhí)行元件會向電機驅動器反饋信號，進而呈現(xiàn)理想的輸出值。步進電機類指示器需要回零，對于360°旋轉的儀表，可以采用光電傳感器回零位；對于轉動角度低于360°的儀表，通過安裝止位卡銷，利用碰撞檢測實現(xiàn)回零。

2 仿真設計

本文以座艙壓力表的仿真設計為例進行闡述。由于真實飛機上的座艙壓力指示儀表是根據真實飛機上的座艙系統(tǒng)的供給量完成顯示的，因此座艙壓力指示儀表的飛機真件不能直接用在模擬機上，模擬機上的座艙壓力指示儀表必須是仿真件。

2.1 座艙壓力指示儀表設計框圖

分析某機型飛機座艙指示儀表工作狀態(tài)，儀表指示在0～300°范圍內轉動，最小刻度1°，表內有黃光照明。

根據儀表設計原理，仿真儀表設計采用微型步進電機驅動儀表來獲得合適的指示。步進電機在脈沖作用下轉動，通過反相器實現(xiàn)連續(xù)工作。步進電機的工作電流較大，前一級接入驅動電路，并由數字信號處理器采集信號，通過接口電路與飛行控制主計算機連接。儀表的復位及零位檢測采用光電傳感器。工作原理見圖1。

2.2 座艙壓力指示儀表設計電路圖

仿真電路的具體實現(xiàn)見圖2，儀表的內部驅動電路由雙線圈的電機驅動，指示儀表由±15VDC電源驅動，放大器將信號放大，驅動步進電機，電機帶動指示器的指針轉動。當正弦信號為零、余弦信號為最大值10V時，儀表處于指示的零位。二極管和電容組成保護電路，以防止無意中錯連電源電壓而可能造成儀器的損壞。

2.3 座艙壓力指示儀表設計角度計算

由于儀表的刻度為非線性分布，表盤也是非線性分布，需要將電壓輸入值轉化為D/A的模擬值進行輸出，使儀表指針顯示到合適的刻度。在儀表設計過程中，分析了10位數據和12位數據的儀表顯示精度，一般而言12位數據的顯示精度可以滿足絕大數的儀表顯示需求。本實例中采用12位數據進行設計。表1列出了計算得到的旋轉角度、輸入電壓值和D/A輸入量之間的對應關系。

2.4 座艙壓力指示儀表設計軟件構架

當仿真儀表有外部電源輸入時，系統(tǒng)開始進行自檢，指針指示到初始位置[4]，等待接口電路傳送的數據，根據傳送的數據判斷是否需要轉動，如果步進數大于1，電機開始轉動，完成一次轉動后，電機等待下一次串口數據，繼續(xù)此循環(huán)。軟件流程圖見圖3。

圖1 儀表指示器的工作原理

表1 旋轉角度、輸入電壓值和D/A輸入量之間的對應關系

圖2 仿真儀表電路設計原理圖

圖3 仿真儀表軟件流程圖

2.5 座艙壓力指示儀表校準

儀表受長期累積誤差或者溫度濕度影響，需要定期進行校準。儀表設計開發(fā)時，開發(fā)人員制作了校準文檔，模擬機維護人員按照儀表校準程序[10]可以在校準文檔中更改參數，完成儀表的校準工作。儀表校準遵循的原則為：對校準曲線上異常變化的點進行校準；觀察儀表指示范圍，儀表指示的最大值和最小值必須在儀表指示范圍內。

根據模擬機維護手冊要求，每12個月應對機械式仿真儀表進行校準，若懷疑指示有誤差時必須進行校準[10]。機械式儀表產生誤差有多種原因，包括：指針受重力影響而產生指示誤差；指針在轉動過程中每一點的力矩不一樣，產生指示誤差；合成電機的線圈不均勻，使電機驅動儀表指針時產生誤差。

3 儀表傳輸延遲測試

儀表傳輸延遲時間在民航CCAR-60部法規(guī)中有明確要求，對于飛行訓練器來說，儀表顯示延遲時間需小于300ms；全動飛行模擬機的儀表顯示延遲時間需小于150ms（最新咨詢通告為100ms）[11]。將仿真的儀表安裝到CJ1飛行模擬機上進行儀表傳輸延遲測試，通過連接在某一塊或者多塊虛擬儀表顯示器上的光電傳感器來完成測量。圖4所示為使用光電傳感器檢測儀表亮度變化時的工作原理圖。測試機械式仿真儀表時可以去除該光電傳感器，將機械式儀表位置反饋電位器輸出端連接電路中光電傳感器端。圖5則是儀表傳輸延遲測試盒。

圖6是CJ1 訓練器使用駕駛桿輸入橫滾信號時儀表傳輸延遲的測試結果，可見儀表響應時間為104ms，該結果滿足新CCAR-60部飛行模擬訓練器器咨詢通告的要求，因此，可以將所仿真的儀表用于該模擬訓練設備。

圖4 光電傳感器工作原理圖

圖5 光電傳感器套件

圖6 ROLL響應傳輸延遲測試結果

4 結論

機械式仿真儀表具有真件不可比擬的成本低廉的優(yōu)點，其研發(fā)也相對容易。應用于模擬機時，日常維護操作容易、維修程序簡單。同時，仿真儀表具有強大的擴展性，通過軟硬件移植再創(chuàng)建，可以快速仿真成為與其相類似的仿真件，還可經過改裝后在虛擬程序練習器（Virtual Program Trainer，VPT）中使用。