基于飛參數(shù)據(jù)的某型教練機(jī)儀表仿真回放研究?

（海軍航空大學(xué)院青島校區(qū) 青島 266041）

1 引言

飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)中記錄的飛行數(shù)據(jù)發(fā)揮的作用越來越重要，它是飛行事故調(diào)查，機(jī)載諸系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的客觀依據(jù)，同時(shí)，也可作為飛行訓(xùn)練管理與評(píng)估的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的飛參數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是利用專用軟件通過曲線回放實(shí)現(xiàn)的，但飛參記錄儀中，各類模擬量及數(shù)字量參數(shù)有數(shù)十個(gè)，每秒鐘要記錄近二十次，因此數(shù)據(jù)量相當(dāng)龐大，分析一個(gè)架次的飛參數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。隨著三維可視化技術(shù)的發(fā)展，利用特定的高級(jí)語言平臺(tái)，使抽象化的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為直觀的圖形信息變?yōu)榭赡?，飛參分析人員除了可進(jìn)行曲線回放分析之外，還可直觀地進(jìn)行虛擬儀表回放、飛機(jī)飛行過程回放及三維航跡回放等，并實(shí)時(shí)監(jiān)測相關(guān)飛行參數(shù)。本文重點(diǎn)基于在飛參數(shù)據(jù)解碼并預(yù)處理的基礎(chǔ)上，利用shockwave控件，加載虛擬儀表面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回放。

2 飛參數(shù)據(jù)的解碼與預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)解碼

飛參數(shù)據(jù)記錄時(shí)，一般會(huì)有特定的記錄格式，而且不同廠家采用的格式也有一定的差別。根據(jù)前期分析研究，某型飛機(jī)的飛參系統(tǒng)的記錄的數(shù)據(jù)中，首先有頭部幀，存放此飛行相關(guān)信息，如飛行日期、架次、機(jī)號(hào)等后按時(shí)間順序，每秒記錄個(gè)數(shù)據(jù)幀，每幀256個(gè)記錄數(shù)據(jù)。其中比較重要的參數(shù)可以在幀中重復(fù)多次，如航向、傾斜、俯仰三個(gè)姿態(tài)角參數(shù)每秒采集記錄4次，即在個(gè)數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn)4次，解碼時(shí)首先應(yīng)確定4個(gè)參數(shù)4幀記錄幾次，記錄位置即地址是多少然后按照校準(zhǔn)曲線所規(guī)定的比例系數(shù)，將原始記錄數(shù)據(jù)還原成工程值并且為了保證數(shù)據(jù)回放的流暢，采用線性插值的力法將所有參數(shù)統(tǒng)還原為每秒16個(gè)數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理［1～3］

由于飛參記錄儀是復(fù)雜的電子系統(tǒng)，在其工作采集、記錄數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)因?yàn)樵胍舾蓴_、電磁干擾等因素，產(chǎn)生諸如數(shù)據(jù)誤碼、丟失、失真和記錄的非正常開始或結(jié)束等異常情況。而這些異常的飛參數(shù)據(jù)，將嚴(yán)重影響后續(xù)飛參的應(yīng)用，所以在回放之前，要保證飛參數(shù)據(jù)的完整、真實(shí)可靠，也就是要對(duì)一些記錄的奇異值進(jìn)行剔除，同時(shí)對(duì)失真數(shù)據(jù)及缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)替換。對(duì)于少量的奇異值，可采用設(shè)置參數(shù)最大變化門限的方法，識(shí)別和剔除數(shù)據(jù)中的奇異點(diǎn)，然后再用插值公式進(jìn)行前推補(bǔ)值。而對(duì)于較多的缺失數(shù)據(jù)，則可利用記錄參數(shù)之間的相關(guān)性將這些參數(shù)的相關(guān)性加入到對(duì)失真及缺失數(shù)據(jù)的估計(jì)過程，則估計(jì)結(jié)果將更加準(zhǔn)確。利用主成分分析法提取出與飛行動(dòng)作相關(guān)性最大的幾項(xiàng)［1］，然后對(duì)這幾項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維自回歸建模，結(jié)合參數(shù)相關(guān)度權(quán)重定階，得到飛參數(shù)據(jù)模型表達(dá)式；進(jìn)而對(duì)其中的失真數(shù)據(jù)及缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)預(yù)測。

在飛參記錄數(shù)據(jù)中，由傳感器測得的某些狀態(tài)量，如角速度和過載等往往是脈沖型數(shù)據(jù)，這主要由于所用傳感器的測量靈敏度不夠高所致，為了提高數(shù)據(jù)回放分析的正確率，在回放分析前應(yīng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波以提取真實(shí)特征。為了更好地保留原始數(shù)據(jù)的真實(shí)信息和基本特征，可以采用最小二乘法作動(dòng)態(tài)點(diǎn)估算的中點(diǎn)濾波方法［2］。

3 虛擬儀表面板設(shè)計(jì)

在飛行和機(jī)務(wù)訓(xùn)練模擬器中，為了能使虛擬儀表板能夠貼附在三維實(shí)體上，實(shí)現(xiàn)在三維空間的實(shí)時(shí)交互顯示，往往采用DiSTI公司提供的專業(yè)虛擬儀表開發(fā)工具 GL Studio來實(shí)現(xiàn)［4～8］，但該工具圖形化實(shí)現(xiàn)特別是文本的動(dòng)態(tài)化實(shí)現(xiàn)上，操作復(fù)雜，且對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求高?；诖?，對(duì)于只需二維回放的某型教練機(jī)儀表仿真回放系統(tǒng)，我們選用Adobe公司出品的Flash Cs6結(jié)合ShockWave控件實(shí)現(xiàn)，在Flash軟件環(huán)境內(nèi)提供的豐富的繪圖工具及相關(guān)效果，結(jié)合ActionScript語言腳本對(duì)相關(guān)對(duì)象進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用ShockWave控件預(yù)置的接口函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)與C#平臺(tái)良好的交互，從而實(shí)現(xiàn)基于飛行參數(shù)對(duì)虛擬儀表板的繪制、驅(qū)動(dòng)等仿真操作。

某型教練機(jī)的儀表板由3個(gè)多功能顯示器、平視顯示器、告警指示及應(yīng)急地平儀等備份儀表構(gòu)成。整個(gè)儀表系統(tǒng)中有多個(gè)單獨(dú)儀表，若在Flash圖形設(shè)計(jì)窗口中統(tǒng)一設(shè)置所有儀表控件，會(huì)使得儀表板控件接口繁多，且復(fù)用性差，因此，將各儀表模塊轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的單個(gè)儀表文件，利用ShockWave控件分別插入相應(yīng)的面板進(jìn)行二次組合，這樣既便于開發(fā)管理，又提高開發(fā)效率，可將類似控件在不同的系統(tǒng)中復(fù)用。

3.1 虛擬儀表板的繪制

Flash圖形采用矢量圖格式，繪制的圖形可無級(jí)縮放且不失真。軟件提供了強(qiáng)大的圖形繪制功能，用戶可直接在軟件舞臺(tái)上直接創(chuàng)建形狀，并且與舞臺(tái)上的其他形狀不會(huì)相互干擾。通過軟件的色彩填充工具（含單一色彩和漸變兩類）可增加繪制儀表圖形的逼真度，通過預(yù)設(shè)的圖形對(duì)象的陰影、發(fā)光、斜角及漸變斜角等功能，可產(chǎn)生逼真的立體效果，如圖1所示，分別是利用Flash繪制的多功能顯示器和應(yīng)急地平儀。

圖1 Flash繪制的儀表效果

3.2 虛擬儀表交互對(duì)象的創(chuàng)建與命名

虛擬儀表繪制完畢后，需要為儀表不同部分組合命名。Flash對(duì)圖形是分層管理的，對(duì)于不動(dòng)的部分，可以將其組合后置于圖層的最底層。而對(duì)于需要操作或動(dòng)作的部分，如開關(guān)、旋鈕或指針，則需將其轉(zhuǎn)換成影片剪輯，并在屬性面板中對(duì)其實(shí)例進(jìn)行命名，便于后續(xù)的操作。在制作過程中，要注意各圖形元件在舞臺(tái)的疊放次序，以正確顯示其遮擋關(guān)系。

3.3 虛擬儀表的行為屬性添加

圖形界面設(shè)計(jì)完成后，需要為儀表創(chuàng)建各種屬性和行為，F(xiàn)lash支持面向?qū)ο蟮木幊?，其Action?Script通過C++語法可靈活的添加交互性的語言，它和Java一樣是基于ECMAScript開發(fā)的。利用軟件封裝的MovieClip的屬性及方法，可方便地控制相關(guān)對(duì)象的狀態(tài)變化，也可定位其內(nèi)部的幀跳轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)如旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)、閃爍等動(dòng)作。以告警燈的控制為例，可首先創(chuàng)建一個(gè)兩態(tài)的幀動(dòng)畫，其中亮滅所對(duì)應(yīng)的幀數(shù)可根據(jù)燈閃的頻率及Flash文件的幀頻確定；然后根據(jù)回放飛參數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)（0為滅，1為亮，2為閃亮），F(xiàn)lash是通過onEnter?Frame事件來探測一個(gè)變量的變化的，其簡要代碼如下：

對(duì)于備份模擬表，很多涉及到指針的旋轉(zhuǎn)、刻度的移動(dòng)等，在這以左直流表的指針旋轉(zhuǎn)為例。在編程之前，需要對(duì)指針命名（zz_01），首先通過電壓值計(jì)算指針需要轉(zhuǎn)到的角度，為了防止指針角度的跳變，系統(tǒng)利用定時(shí)函數(shù)setInterval（）調(diào)用自定義函數(shù)func1（），通過單周期加1°的方式實(shí)現(xiàn)指針連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至到達(dá)目標(biāo)角度。

在新型飛機(jī)中多功能顯示器使用越來越廣泛，其多為圖形及字符的顯示，對(duì)于圖形顯示Flash有先天優(yōu)勢，均可通過內(nèi)部繪制實(shí)現(xiàn)；對(duì)于周邊鍵，通過按鈕元件封裝的各類事件響應(yīng)其功能，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)畫面及相應(yīng)功能的跳轉(zhuǎn)；而對(duì)于字符的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及顯示，則可通過軟件提供的動(dòng)態(tài)文本，利用其預(yù)設(shè)變量賦值實(shí)現(xiàn)。圖2為多功能顯示器回放仿真畫面。

圖2 多功能顯示器回放仿真畫面

4 通訊接口設(shè)計(jì)

進(jìn)入系統(tǒng)后，用戶可選擇回放數(shù)據(jù)，系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊處理并加載數(shù)據(jù)。整個(gè)程序平臺(tái)是利用C#開發(fā)的，利用軟件自帶時(shí)針控件驅(qū)動(dòng)整個(gè)飛行過程的回放，系統(tǒng)通過改變時(shí)鐘的頻率改變飛行過程回放的速度，每隔相應(yīng)的設(shè)定周期后，系統(tǒng)就會(huì)響應(yīng)系統(tǒng)時(shí)鐘封裝的OnTimer事件，將對(duì)應(yīng)的飛參數(shù)據(jù)送入相應(yīng)接口，對(duì)虛擬儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng)利用Windows自帶的ShockWave控件，實(shí)現(xiàn)各個(gè)虛擬儀表控件的加載及接口數(shù)據(jù)交互?；胤欧抡娉绦蚪邮苡脩舻逆I盤鼠標(biāo)交互輸入，ShockWave控件是Flash提供給宿主程序（即二次開發(fā)平臺(tái)C#）的通信接口，通過它可以把行為模型顯示在宿主程序中，進(jìn)行正常瀏覽。ShockWave控件，通過Fscommand事件，響應(yīng)Flash發(fā)送的即時(shí)消息，亦可通過SetVarible方法，向Flash傳送消息。Flash則反過來通過Fscommand方法通過Shock?Wave控件向C#發(fā)送消息，而通過內(nèi)置onEnter?Frame實(shí)現(xiàn)消息的實(shí)時(shí)接收。

圖3 Shockwave與C#之間的接口關(guān)系

該系統(tǒng)作為一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)，內(nèi)置了播放器，可在導(dǎo)入已有特定架次飛參數(shù)據(jù)后，在單機(jī)條件下進(jìn)行儀表過程回放，同時(shí)亦可接收實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)，如通過數(shù)據(jù)鏈接收回傳的飛行參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的儀表顯示；另外，該系統(tǒng)還可輔助飛行仿真系統(tǒng)，通過飛行數(shù)據(jù)生成子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，按照飛行仿真任務(wù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程再現(xiàn)［9～12］。

5 結(jié)語

本文充分分析飛行參數(shù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通過有針對(duì)性的數(shù)據(jù)處理，并利用ShockWave控件實(shí)現(xiàn)虛擬儀表的實(shí)時(shí)回放，完整真實(shí)地再現(xiàn)整個(gè)飛行過程，對(duì)飛行事故調(diào)查，飛行質(zhì)量的監(jiān)控都有著重大意義，為飛行訓(xùn)練提供了有力的保障。經(jīng)測試，該方法回放效果逼真、效率高、控件復(fù)用性強(qiáng)，軟件對(duì)系統(tǒng)環(huán)境要求低。如對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展，與飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)鏈對(duì)接，還可與飛機(jī)同步進(jìn)行飛行過程仿真。