基于半實物仿真飛行平臺的飛行記錄系統(tǒng)設(shè)計

王健 ，張會新，馬銀鴻，李張倩

（1.中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

目前國內(nèi)對于半實物仿真飛行平臺的研究已日趨成熟，其飛行視景仿真［1］、飛行儀表仿真［2］和六自由度模擬座艙［3］等組成部分發(fā)展正逐步完善，但基于PC環(huán)境的飛行記錄系統(tǒng)［4］中的一些關(guān)鍵技術(shù)還有待加強。對于基于PC環(huán)境的飛行記錄系統(tǒng)的研究，我們正處在“跳遠前的一個深蹲狀態(tài)”，起步遲、起點低是客觀事實，但我們一直在為那縱身一躍鉚著勁、蓄著力，國內(nèi)數(shù)十家高校院所和科研機構(gòu)長期扎根在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的半實物仿真飛行平臺及其相關(guān)設(shè)備研究，其中以中科院自動化研究所、哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學和北京藍天航空科技股份有限公司（原工業(yè)部航空模擬器研究所）等單位為代表。2015年，哈爾濱工業(yè)大學翟健宏教授團隊設(shè)計的飛行仿真平臺采用了基于面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，構(gòu)建出Windows平臺下應(yīng)用程序，該平臺具有良好的人機交互界面，實用性較強，但該平臺僅是在視景仿真方面有所進展，并未搭載配套的記錄系統(tǒng)，使得基于該平臺的操縱行為量化分析缺少原始數(shù)據(jù)的支撐。2016年彭飛等人為了有效提升飛行訓練評估的準確性，減少人為主觀因素所產(chǎn)生的評估不確定性，提出了基于多元時間序列分解距離飛行數(shù)據(jù)模式匹配算法的飛行訓練評估系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)僅僅是依托與其他多元時間序列模式匹配算法的對比實驗，并未采集到真實的模擬座艙操作組件的行為軌跡變化參數(shù)，相比于之前的飛行訓練評估系統(tǒng)有了較大提升，但沒有原始數(shù)據(jù)支撐的評估系統(tǒng)僅是個純軟件評估模型，仍具有較大不確定性。2020年北京藍天公司自主研發(fā)的C919試飛仿真平臺［5］具備試飛科目預(yù)測與復(fù)現(xiàn)、飛行包線與預(yù)定飛行點飛行、研發(fā)與適航符合性試飛訓練、特殊試飛科目及標準任務(wù)飛行等功能，能夠完整復(fù)現(xiàn)機載設(shè)備的功能、性能，在系統(tǒng)特性、操作方法、顯示內(nèi)容等多方面為飛行員提供逼真的操作顯示界面，成功地為國產(chǎn)大飛機助力，該平臺所搭載的軟件存儲模型在國內(nèi)水平居前，但是與國外同等級的飛行仿真平臺記錄系統(tǒng)相比，所能記錄的飛行參數(shù)類型遠遠不夠。基于此，本文提出了一種基于半實物仿真飛行平臺［6］的實用性較強、可靠性較高、通用性較好的飛行記錄系統(tǒng)設(shè)計。

1 半實物仿真飛行平臺系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)通過ARINC664、離散量采集卡采集模擬飛行人員操作時的操作部件的位移［7］、按鍵、開關(guān)、告警燈等信息，分析采集數(shù)據(jù)的方位、操作次序，形成基本操作行為的特征的中間數(shù)據(jù)集，建立了用于模擬飛行人員操作動作采集所需的硬件設(shè)備和環(huán)境；集成了飛行儀表仿真、飛行員模擬操控、飛行視景仿真、飛行實時仿真功能；支持接入真實的飛控計算機，實現(xiàn)了“人在回路和飛控在回路”的同時驗證，可作為飛控操縱參數(shù)調(diào)整的工程級驗證設(shè)備使用［8］。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)硬件平臺組成如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Design of the overall structure of system

圖2 系統(tǒng)硬件平臺組成圖Fig.2 Diagram for the composition of hardware platform system

2 系統(tǒng)模型設(shè)計及相關(guān)通信協(xié)議設(shè)計

本系統(tǒng)可實現(xiàn)快速控制原型（仿真回路不加入飛控計算機、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量單元）/GPS（全球定位系統(tǒng)）、舵機等硬件，只用六自由度運動平臺來演示飛行器姿態(tài)信息）和硬件在回路（仿真回路加入飛控計算機、IMU/毫米波雷達、舵機等硬件，配合RT-Sim PLus管理環(huán)境中的仿真工程［9］實現(xiàn)目標機狀態(tài)監(jiān)測、在線修改參數(shù)［10-11］、啟?？刂?、軟件實時存儲功能）兩種形式的仿真。

2.1 基于Simulink的模型設(shè)計

系統(tǒng)通過MATLAB/Simulink圖形化建模工具結(jié)合Links-RT仿真軟件包進行Simulink下的數(shù)學仿真，以便在添加IO模塊之前實現(xiàn)對模型及算法的初步驗證；模型設(shè)計后，調(diào)用代碼生成工具，將Simulink模型轉(zhuǎn)換為C代碼，再編譯為.out可執(zhí)行程序；執(zhí)行完畢后在RT-Sim PLus管理環(huán)境中，根據(jù)軟件向?qū)?，建立仿真工程，設(shè)置仿真目標機屬性，配置監(jiān)視及保存變量；點擊啟動后仿真開始，代碼自動下載到目標機，并啟動實時運行，與真實設(shè)備通過IO硬件進行交互，實現(xiàn)硬件在環(huán)半物理仿真。從建模到硬件在環(huán)仿真的流程步驟如圖3所示。

圖3 半物理仿真流程圖Fig.3 Flow chart of semi-physical simulation

2.2 六自由度運動平臺設(shè)計

本設(shè)計中六自由度運動平臺采用剛度大、承載能力強、位置誤差不累計的Stewart結(jié)構(gòu)，基本組成包括兩個平臺和六根支撐桿。其中一個平臺為固定的“基座”（也稱下平臺）；另一個是可移動平臺（也稱活動平臺，上平臺）。兩平臺之間由六根支撐桿以并行方式相連，每個支撐桿的兩端與兩平臺上的受動關(guān)節(jié)相連。每根支撐桿的末端裝有驅(qū)動器，通過同步帶傳動驅(qū)使支撐桿伸縮，完成上平臺在三維空間六個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，從而模擬出空間各種運動姿態(tài)。圖4為六自由度運動平臺模型示意圖，圖5為系統(tǒng)測試現(xiàn)場六自由度運動平臺實物圖。

圖4 六自由度運動平臺模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of six-degree-of-freedom motion platform mode

圖5 系統(tǒng)測試現(xiàn)場六自由度運動平臺實物圖Fig.5 Physical image of the six-degree-of-freedom motion platform at the system test

2.3 ARINC664 Part7通信

ARINC664規(guī)范是基于IEEE標準的用于定義安裝在飛機上的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)最新標準，它被發(fā)展為多個部分，其中Part7是航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。由于在多終端系統(tǒng)中，點到點的布線是主要的開銷，本系統(tǒng)采用ARINC664通信來模仿點到點的連接，為飛行仿真平臺提供了一個合適的確定性網(wǎng)絡(luò)通信模型，以此來保障系統(tǒng)從源端到接收端數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和完整性［12-13］。

本系統(tǒng)中軟件存儲模型通過ARINC664模塊與模擬座艙操控輸入信息（如飛行搖桿、油門桿、開關(guān)控制面板、飛行腳舵等模擬指令的輸入）和實時仿真機中的VxWorks仿真模型（如運行飛行器動力學、傳感器及大氣環(huán)境等模型）進行數(shù)據(jù)交換和傳輸，本設(shè)計中AFDX［14］數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 ARINC664數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)Table 1 Frame structure of ARINC664 data transmission

3 系統(tǒng)存儲模型設(shè)計

本設(shè)計中存儲模型通過ARINC664總線連接各成員設(shè)備之后，通過信號發(fā)生函數(shù)產(chǎn)生不同的參數(shù)數(shù)據(jù)，為了盡量模擬測試參數(shù)的逼真度，對其進行了加噪處理。存儲模型接收端口通過總線采集數(shù)據(jù)的同時根據(jù)參數(shù)類型對不同的參數(shù)采取不同的濾波算法進行濾波處理；預(yù)編碼單元對處理后信號數(shù)據(jù)［15］通過預(yù)編碼進行打包組幀；壓縮編碼單元繼續(xù)對其壓縮編碼以減少數(shù)據(jù)傳輸和存儲容量。具體參數(shù)類型［16］見表 2，數(shù)據(jù)存儲容量為 256 GB，連續(xù)存儲時間不小于4 h，存儲模式為循環(huán)式覆蓋存儲；圖6所示為存儲算法流程圖。

圖6 存儲算法流程圖Fig.6 Flowchart of storage algorithm

4 系統(tǒng)測試

一鍵啟動飛行平臺后，存儲模型軟件進入啟動首頁并自動進行設(shè)備連接，消息列表顯示“設(shè)備連接成功”，圖7所示為存儲模型啟動首頁。

進入模飛人員操作階段后硬件采集設(shè)備開始進行數(shù)據(jù)采集，軟件存儲模型通過ARINC664模塊對模擬座艙操控輸入信息和實時仿真機［17］中的 VxWorks［18］仿真數(shù)據(jù)共計 55種飛行參數(shù)（參數(shù)種類如上表2中所示）進行實時監(jiān)測和記錄，其中將仿真模型中的經(jīng)緯度依次配置為 338.330°、298.959°。本次測試中，存儲模型配置本地IP為127.0.0.1、當前端口為53417、目的IP為234.5.6.7、目的端口為53418。圖8所示為飛行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測界面，圖9所示為仿真平臺飛行數(shù)據(jù)記錄界面。

圖9 仿真飛行數(shù)據(jù)記錄界面Fig.9 Recording interface of simulation flight data

表2 飛行數(shù)據(jù)記錄的參數(shù)單詞尾加“S”表Table 2 Parametes of flight data record

圖8中飛行經(jīng)度顯示為337.436°，飛行緯度顯示為298.169°，剩余參數(shù)不一一列舉，依次與配置值對比，可以判定本系統(tǒng)實現(xiàn)了PC環(huán)境下的半實物仿真飛行平臺飛行參數(shù)測試，為模飛員操作行為告警軟件的開發(fā)、告警級別和告警類型的設(shè)置及操作行為預(yù)警規(guī)則的制定提供了對標于飛機黑匣子的原始數(shù)據(jù)支撐，對基于VR/AR技術(shù)的半實物仿真飛行平臺的發(fā)展具有較大意義。

圖8 仿真飛行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測界面Fig.8 Real-time monitoring interface of flight data

5 結(jié)論

本文提出了一種基于PC環(huán)境的半實物仿真飛行平臺飛行記錄系統(tǒng)設(shè)計，飛行平臺一經(jīng)啟動，系統(tǒng)自動連接并對55種飛行仿真數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測并循環(huán)記錄，改變了現(xiàn)有的將模飛員的操作行為進行簡單分析、歸類、編碼后，通過與設(shè)定標準編碼庫數(shù)據(jù)進行查詢、比對及時間線匹配的概略評估方式，系統(tǒng)記錄的全面有效且可量化分析的數(shù)據(jù)為單人飛行訓練、空戰(zhàn)模擬對抗訓練提供了事后精準判讀方式，為半實物仿真飛行平臺的飛行訓練及評估提供了權(quán)威“裁判”。