航空儀表的仿真方法研究

王述運 劉劍超 岳付昌

(海軍航空大學教練機模擬訓練中心,遼寧葫蘆島 125001)

0 引言

航空儀表是飛行模擬器重要的組成部分,飛行員在駕駛飛機過程中的各種飛行參數(shù)、導航參數(shù)和電氣系統(tǒng)參數(shù)等都是通過航空儀表來獲取的,在感觀上,航空儀表或者說是圖形儀表為飛行員提供與真實飛行環(huán)境一致的儀表環(huán)境,并且,圖形儀表與視景系統(tǒng)、人感系統(tǒng)等其它系統(tǒng)相配合,模擬出飛機的飛行環(huán)境,使得駕駛員能夠快速地獲得最有用的飛行信息,從而更加有效地操縱和管理整個飛行控制系統(tǒng)。

隨著科學技術及工業(yè)的快速發(fā)展,飛機上采用的儀表結構和形式也越來越多,機械式和電氣式儀表作為可靠性較強的顯示方式依然存在,但伺服系統(tǒng)式、數(shù)字化和綜合顯示的電子式儀表越來越多,這些科技含量大的儀表制作精密、原理及結構復雜、控制信號多樣化、成本高,考慮到諸多因素,飛行模擬器一般不會直接應用這些高昂精細的儀表。因此,航空儀表的仿真方法研究是模擬器研制過程中的一個重要環(huán)節(jié)。本文以某型飛機飛行模擬器為介紹對象,總結近年來航空儀表仿真方法和思路。

1 航空儀表分類

根據(jù)航空儀表模擬仿真方法,結合飛行模擬器具體的通信協(xié)議和儀表的改裝程度,航空儀表的仿真方式大致可以分為以下三種類型:實裝儀表、虛擬儀表和半實物仿真儀表[1]。

1.1 實裝儀表

實裝儀表就是將飛機上的真實儀表指示器原封不動地安裝到飛行模擬器上,在實際應用過程中,有些個別儀表可能會做一些微小的改動,例如航空時鐘、伏安表指示器等。如果飛行模擬器采用與飛機相同的總線接口時,就可以將飛機上的電子式儀表直接在模擬器上使用,但這樣造價比較高。

1.2 虛擬儀表

虛擬儀表,也就是儀表本身帶有輸入輸出的能力,儀表上有按鈕、旋鈕、標度尺、圖形等功能,它主要是將計算機虛擬技術和儀器儀表技術結合起來,使得儀表所有功能在顯示器上顯示出來,可以將一塊儀表進行虛擬,也可以將多塊儀表同時虛擬到一臺顯示器上,如果單臺儀表虛擬,儀表模板空洞處露出要顯示的虛擬儀表,比如虛擬空速表、地評議表等,除了仿真儀表外殼外,所有的顯示單元皆由計算機圖形繪制。虛擬儀表的推廣,使得飛行模擬器相關設備件越來越簡單,在儀表仿真領域得到了極其廣泛的應用。但不管圖形界面做的如何逼真,虛擬儀表也不可能完全替代真實儀表,與真實儀表之間總是存在一定差距的,因此在實際飛行訓練中,仍存在一定的局限性。

1.3 半實物仿真儀表

半實物仿真儀表,又叫模擬儀表。這類儀表的指針和刻度盤等指示部分以及外殼都與真實儀表一樣,但其內(nèi)部的結構和工作原理則完全不同,如模擬應急地平儀,里面并無陀螺,模擬進氣壓力表中并無膜盒。半實物仿真儀表的造價和制作難度要比虛擬儀表高得多,但它解決了虛擬儀表與真實儀表在感官上存在差距的問題。同時通過半實物仿真儀表的訓練,可以使沒有飛行經(jīng)歷的新學員,快速地沉浸到飛行環(huán)境中,建立正確的直觀印象,確保模擬飛行訓練的真實性和實效性。

2 航空儀表的仿真方法

航空儀表的仿真,要依托于多種技術并借助許多軟件工具方能完成,其開發(fā)工作主要集中在仿真儀表指針、滾動、旋轉顯示數(shù)據(jù)條、警告等設計與制作,外觀需要高仿機械設計制作,另外,通訊接口的開發(fā)以及外設硬件的驅動也非常重要[2]。

2.1 實裝儀表的仿真方法

實裝儀表的仿真主要有兩個途徑:一是將飛機上的真實儀表原封不動地安裝到飛行模擬器上,儀表本身不做任何改動,比如航空時鐘。二是只利用其儀表指示器,根據(jù)指示器的工作原理設計電路直接驅動,比如伏安表和氣缸頭溫度表等一些電流、電壓式儀表。這類儀表的仿真相對比較簡單,這里不做過多的闡述。

2.2 虛擬儀表的仿真方法

虛擬儀表的開發(fā)平臺一般是在Windows系統(tǒng)下,利用Visual C++開發(fā)環(huán)境,采用Flash、GL Studio以及Open GL等虛擬仿真技術。開發(fā)流程圖如圖1 所示。

本文在繪制儀表時,采用了Open GL紋理映射技術。利用Open GL紋理映射功能,能夠清晰的繪制出用來描述表表面各點處的反射屬性,從而達到模擬儀表表面豐富的紋理細節(jié)的目的,提高計算機生成圖形的真實性,這樣做的目的,使得儀表建模過程變得更加簡化。使用紋理繪制的一般步驟為[3]:定義紋理貼圖、控制紋理、說明紋理貼圖方式和定義紋理坐標等。

圖1 虛擬儀表軟件開發(fā)流程圖Fig.1 Flow chart of virtual instrument software development

虛擬儀表在繪制前要對其進行拆分,就是根據(jù)其顯示功能將一塊儀表拆分為多個能夠獨立顯示的紋理單元,每個紋理單元由兩張紋理貼圖組成:掩碼圖和元素圖。比如高度表指示器可拆分為表盤、條紋、告警旗、指針和滾動數(shù)字五個紋理單元。

表盤的繪制過程如下:首先準備兩張圖片,如圖2和圖3所示。圖2為高度表的表盤掩碼圖,透明部分為白色RGB(0xff,0xff,0xff),非透明部分為黑色RGB(0x00,0x00,0x00);圖3為高度表的表盤元素圖,透明部分為黑色RGB(0x00,0x00,0x00)。將圖2與背景圖進行“與”運算(GL_AND),圖3與背景圖進行“或”運算(GL_OR),即可完成高度表表盤的顯示。表盤的顯示效果如圖4 所示。指針等其它紋理的繪制方法與表盤的繪制方法相同。一只完整高度表的顯示效果圖如圖5所示。

虛擬儀表中儀表模板的設計與布局必須同時兼顧真實儀表的外形尺寸、真實儀表在座艙面板上的位置、顯示器可用區(qū)域尺寸及儀表模板上安裝的調(diào)節(jié)旋鈕和按鈕空間尺寸等因素。對于難以調(diào)整的儀表,可結合總體布局效果,對其尺寸和位置的可作微小的調(diào)整,但必須不能破壞座艙儀表板原有布局,調(diào)整后的整體視覺效果不能與原儀表板視覺效果有太大的差距。虛擬儀表運行效果圖如圖6所示。

圖2 高度表表盤掩碼圖Fig.2 Mask diagram of altimeter dial

圖3 高度表表盤元素圖Fig.3 Altimeter dial element diagram

圖4 高度表表盤顯示效果圖Fig.4 Display effect of altimeter dial

圖5 高度表顯示效果圖Fig.5 Display effect of altimeter

圖6 虛擬儀表運行效果圖Fig.6 Operation effect of virtual instrument

圖7 虛擬儀表維護界面圖Fig.7 Virtual instrument maintenance interface

繪制紋理貼圖的控制參數(shù)主要由6個要素構成,分別為初始位置坐標、初始縮放系數(shù)、初始旋轉角度、實時位置坐標、實時縮放系數(shù)和實時旋轉角度。其中,初始位置坐標、初始縮放系數(shù)和初始旋轉角度均來源于原儀表,其大小尺寸等數(shù)據(jù)由專業(yè)軟件根據(jù)各塊儀表在模擬儀表板上的位置和大小測試得出,并以文件的形式存于磁盤,紋理的實時位置坐標、實時縮放系數(shù)和實時旋轉角度信號則由主控計算機通過網(wǎng)絡給出。虛擬儀表的維護界面如圖7所示。

2.3 半實物仿真儀表的實現(xiàn)方法

所謂半實物仿真,就是將控制器(實物)與在計算機上實現(xiàn)的控制對象的仿真模型(見數(shù)學仿真)聯(lián)接在一起進行試驗的技術[4]。半實物仿真儀表的實現(xiàn),主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:

(1)利用專業(yè)軟件和工具對實裝儀表的外形尺寸進行測量,制作出與實裝儀表相同的表殼、表盤和指針等部件;

(2)熟悉實裝儀表功能和原理技術,設計其內(nèi)部結構;

(3)掌握實裝儀表的指示特點,并根據(jù)這些特點,設計儀表驅動程序,重點考慮的是儀表指示的跟隨性和精度;

圖8 加速度表仿真外形圖Fig.8 Simulation outline of accelerometer

圖9 加速度表控制結構框圖Fig.9 Control structure block diagram of accelerometer

圖10 上位機控制軟件流程圖Fig.10 Flow chart of upper computer control software

(4)通過上位機控制指針轉動的角度和速度,來模擬真實儀表的指示情況。

半實物仿真儀表的實現(xiàn)方法,一般采用電機驅動技術,即由步進/伺服電機構成位置伺服系統(tǒng),本文以加速度表為例,說明半實物仿真儀表的設計思路。加速度表外形如圖8 所示。加速度表的仿真控制, 實質是一套基于CAN總線的步進電機位置伺服控制系統(tǒng)。結構框圖如圖9所示。

步進電機控制器收到上位機發(fā)來的角度信號后,產(chǎn)生脈沖信號,送到專用的步進電機驅動器,驅動電機帶動指針轉動到相應角度。由角位移傳感器產(chǎn)生反饋信號,可消除因步進電機丟步所造成的儀表指示上的誤差。另外為了提高儀表的指示精度,可采用加裝減速箱、增加驅動器的細分倍數(shù)等途徑來實現(xiàn)。

步進電機控制器通過接收上位機的指令,實現(xiàn)對儀表指針轉動方向、頻率和角度的控制。上位機采用V C++編程,程序流程圖如圖10所示。

3 結語

本文以某型飛機飛行模擬器的研制為例,介紹了航空儀表仿真的一些常用方法:實裝仿真、虛擬仿真和半實物仿真。通過試飛驗證,該模擬器的儀表仿真系統(tǒng)具有良好的實時性、穩(wěn)定性和可維護性,其跟隨性和指示精度也完全符合真實儀表的性能指標,在功能和外觀上能夠逼真地仿真該型飛機的各類儀表,完全能夠滿足模擬飛行訓練的要求。