基于GL Studio的飛行模擬器半實(shí)物仿真儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭昌毅

（蕪湖航翼集成設(shè)備有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

本研究結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)裝飛行模擬器搭載的機(jī)械式驅(qū)動(dòng)和嵌入式驅(qū)動(dòng)兩種半實(shí)物仿真儀表，通過拆解修理分析，總結(jié)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，提出一種全新的飛行模擬器半實(shí)物仿真儀表的設(shè)計(jì)思路。

傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表通常是由航空總線接口、電機(jī)、傳動(dòng)齒輪以及機(jī)械式儀表面板組成。所以，傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表也可理解為機(jī)電一體化儀表。以某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度表為例，其工作流程為：通過總線接口傳遞電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)表盤的指針轉(zhuǎn)動(dòng)。

在飛行時(shí)，機(jī)械式儀表具有較強(qiáng)的抗干擾能力，目前應(yīng)用的飛行模擬器均采用傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表。為了能夠控制機(jī)械式儀表的指針轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是在跨360°（也即0°）角時(shí)，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的PID控制算法進(jìn)行跨臨界角轉(zhuǎn)動(dòng)。為了提高模擬器的仿真逼真度，需要提高對(duì)機(jī)械儀表齒輪等精密器件的設(shè)計(jì)精度與制造要求，導(dǎo)致機(jī)械式儀表的生產(chǎn)成本增加。

飛行模擬器作為地面模擬飛行訓(xùn)練的裝備，對(duì)實(shí)裝飛機(jī)來說，其運(yùn)行環(huán)境相幾乎沒有外界強(qiáng)烈的干擾，所以在對(duì)座艙儀表進(jìn)行仿真過程中，可使用非機(jī)械式儀表來代替。目前，較為常見的方法是采用機(jī)械表盤結(jié)合嵌入式驅(qū)動(dòng)模塊來實(shí)現(xiàn)飛行模擬器的仿真儀表。以某襟翼冷氣壓力表為例，其工作流程為：通過總線接口來傳遞電信號(hào)，使能驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而傳動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)表盤的指針轉(zhuǎn)動(dòng)。

在不考慮抗干擾因素的影響下，航空儀表的驅(qū)動(dòng)效果與機(jī)械式儀表是一樣的，不同之處在于，航空儀表控制儀表指針在臨界點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)可通過對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊編程來實(shí)現(xiàn)，減少對(duì)機(jī)械式表盤控制算法的設(shè)計(jì)。當(dāng)被仿真的航空儀表較為復(fù)雜時(shí)，如指令地平儀和航道羅盤指示器，這種設(shè)計(jì)方式對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的功能選型提出了更多的要求。另外，隨著儀表指針轉(zhuǎn)向維度的增加，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的個(gè)數(shù)也會(huì)逐級(jí)遞增。

機(jī)械式儀表存在制作工藝復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)成本較高、要設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制算法、指針轉(zhuǎn)動(dòng)精度一般等問題。機(jī)械表盤結(jié)合嵌入式驅(qū)動(dòng)模塊的仿真儀表同樣也存在制作工藝復(fù)雜、難以仿真較為復(fù)雜的航空儀表等問題。本研究提出一種嵌入式計(jì)算機(jī)圖形仿真儀表，可滿足小型化、高精度、可更換等要求，采用GL Studio軟件架構(gòu)，并結(jié)合拿鐵熊貓硬件平臺(tái)，以指令地平儀為研究對(duì)象，開發(fā)出一種嵌入式飛行模擬器半實(shí)物仿真儀表。

1 飛行模擬器半實(shí)物仿真儀表軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 基于GL Studio的半實(shí)物仿真儀表設(shè)計(jì)

GL Studio由圖形設(shè)計(jì)區(qū)（Geometry）、代碼編輯區(qū)（Code）、應(yīng)用設(shè)計(jì)區(qū)（Application）、源碼生成區(qū)（Generation）和資源編輯區(qū)（Resources）組成。其中，設(shè)計(jì)過程中主要使用的是圖形設(shè)計(jì)區(qū)和源碼生成區(qū)。圖形設(shè)計(jì)區(qū)提供一個(gè)“所見即所得”的圖形編輯交互窗口，并提供設(shè)計(jì)模式（Modes）、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換（Convert）、設(shè)計(jì)調(diào)整（Modify）和創(chuàng)建設(shè)計(jì)（Create）等交互式操作接口，從而使用戶的可視化創(chuàng)建與設(shè)計(jì)變得更加便捷。代碼生成區(qū)用于創(chuàng)建可視化界面對(duì)象，并生成對(duì)應(yīng)的C++類模塊，使用者可通過編輯、調(diào)試及調(diào)用該類，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可視化對(duì)象的控制。

孫艷麗等［1］為解決院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)、裝備培訓(xùn)等要滿足大量人員同時(shí)使用的需求，基于GL Studio軟件開發(fā)出電源柜和示波器，取得了較好的教學(xué)培訓(xùn)效果；徐國(guó)標(biāo)等［2］探討了如何利用GL Studio軟件來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“照片級(jí)”的虛擬儀表，為本研究的軟件開發(fā)提供了借鑒思路；李建海等［3］利用GL Studio軟件實(shí)現(xiàn)了氣壓高度表，并通過UDP實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行模擬器的數(shù)據(jù)交互，但該方法僅在軟件工程中實(shí)現(xiàn)，并沒有在實(shí)際中設(shè)計(jì)出可用于模擬器實(shí)裝的表盤。

參考上述設(shè)計(jì)實(shí)例，本研究以某型飛機(jī)機(jī)載指令地平儀為例，設(shè)計(jì)出基于GL Studio的飛行模擬器半實(shí)物仿真指令地平儀，具體流程如圖1所示。

1.2 半實(shí)物仿真指令地坪儀的設(shè)計(jì)步驟與實(shí)現(xiàn)

結(jié)合圖1的半實(shí)物仿真儀表的設(shè)計(jì)流程，指令地坪儀的設(shè)計(jì)步驟如下。

1.2.1 指令地平儀的圖形準(zhǔn)備工作。通過對(duì)指令地平儀的實(shí)物組件進(jìn)行劃分，其表盤由5個(gè)可單獨(dú)拼接的子部件組成。因此，指令地平儀的圖形準(zhǔn)備工作階段主要是通過繪圖工具來繪制出5個(gè)子部件的紋理圖片（見表1）。

表1 指令地平儀的紋理創(chuàng)建

1.2.2 指令地平儀的模型創(chuàng)建。在GL Studio軟件中創(chuàng)建并設(shè)計(jì)指令地平儀的模型。①在MS VC++8.0中新建基于“GL Studio 3.2 Application Wizard”的工程，并命名為“MeterHorizon”；②打開該工程下后綴名為“.gls”的文件，設(shè)計(jì)指令地平儀模型；③在GL Studio繪制面板中添加“Rectangle”對(duì)象并命名，并在該命名對(duì)象上添加紋理；④重復(fù)第③步，添加的“Rectangle”對(duì)象和對(duì)應(yīng)紋理順序依次為：刻度板部件、儀表轉(zhuǎn)動(dòng)背景部件、指針部件、指針刻度板部件和儀表內(nèi)殼部件。至此，完成了基于GL Studio的指令地平儀模型搭建工作。

1.2.3 GL Studio結(jié)合MS VC++8.0的指令地平儀功能軟件開發(fā)。結(jié)合上述搭建的指令地平儀模型，首先在GL Studio的Code頁(yè)面中編輯指令地平儀控制代碼，在void Calculate（double time）內(nèi)編輯如下代碼，用于實(shí)現(xiàn)指令地平儀的仿真運(yùn)動(dòng)。

∕∕實(shí)現(xiàn)刻度板部件的俯仰運(yùn)動(dòng)

f=gRecvData.horizon_pitch*-2.5f；

ScalePitch-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

∕∕實(shí)現(xiàn)刻度板部件的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

f=gRecvData.horizon_roll*-1；

ScalePitchGroup-＞DynamicRotate（f，Z_AXIS）；

∕∕實(shí)現(xiàn)指針部件中的飛機(jī)標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)

f=gRecvData.horizon_plane；

PlaneLeft-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

PlaneRight-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

∕∕實(shí)現(xiàn)指針部件中飛機(jī)標(biāo)陰影轉(zhuǎn)動(dòng)

PlaneShaderL-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

PlaneShaderR-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

然后生成指令地平儀對(duì)象的頭文件和源文件代碼，在MeterHorizon工程中添加上述頭文件和源文件，并增加基于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，編輯并生成指令地平儀仿真儀表的可執(zhí)行文件。

2 飛行模擬器半實(shí)物仿真儀表的硬件環(huán)境配置與實(shí)現(xiàn)

2.1 半實(shí)物仿真儀表的硬件選型及實(shí)現(xiàn)流程

在本研究所提出的飛行模擬器半實(shí)物仿真儀表設(shè)計(jì)方案中，仿真儀表的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作主要是在裝有Windows操作系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算中完成，最終生成仿真儀表對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行文件。

結(jié)合飛行模擬器半實(shí)物仿真儀表的應(yīng)用場(chǎng)景，選型LattePanda Win10企業(yè)版的嵌入式硬件平臺(tái)，將上述可執(zhí)行文件部署在該平臺(tái)上，即可完成對(duì)飛行模擬器半實(shí)物仿真儀表的軟硬件搭建與部署。以指令地平儀為例，具體的實(shí)現(xiàn)流程見圖2。

圖2 指令地平儀半實(shí)物仿真儀表的部署與實(shí)現(xiàn)流程

2.2 半實(shí)物仿真指令地坪儀的部署與實(shí)現(xiàn)

從圖2可以看出，半實(shí)物仿真指令地平儀的軟硬件開發(fā)過程可分為3個(gè)階段。

2.2.1 在Windows XP及以上操作系統(tǒng)中開發(fā)基于GL Studio的飛行模擬器仿真儀表，完成開發(fā)后，將生成相應(yīng)的可執(zhí)行文件進(jìn)行打包。

2.2.2 完成基于拿鐵熊貓開發(fā)板的操作系統(tǒng)安裝和硬件連接。在該開發(fā)板中安裝Win10的操作系統(tǒng)，然后通過飛行模擬器座艙牽引出5 V∕2 A予以供電，并通過網(wǎng)線連接實(shí)現(xiàn)UDP報(bào)文的傳輸。

2.2.3 將第一階段生成的可執(zhí)行文件部署在拿鐵熊貓開發(fā)板中，運(yùn)行執(zhí)行文件，最后通過HDMI視頻信號(hào)將具體的儀表信息通過視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)板和定制顯示器顯示給用戶端。

2.3 半實(shí)物仿真指令地坪儀外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足某型飛行模擬器中半實(shí)物仿真指令地坪儀的修理要求，通過原機(jī)測(cè)繪，設(shè)計(jì)出本研究研制的飛行模擬器半實(shí)物仿真指令地平儀外觀結(jié)構(gòu)（見圖3至圖6）。

圖3 半實(shí)物仿真指令地平儀三維示意圖

圖6 半實(shí)物仿真指令地平儀后視圖（單位：mm）

3 三種半實(shí)物仿真儀表的對(duì)比分析

將本研究所提出的嵌入式計(jì)算機(jī)圖形仿真儀表與傳統(tǒng)的機(jī)械式仿真儀表、機(jī)械表盤組合嵌入式驅(qū)動(dòng)式模塊仿真儀表進(jìn)行對(duì)比分析（見表2）。

圖4 半實(shí)物仿真指令地平儀主視圖（單位：mm）

由表2可知，本研究所提出的基于GL Studio結(jié)合嵌入式計(jì)算機(jī)半實(shí)物仿真圖形儀表較其他兩種儀表具有明顯的優(yōu)勢(shì)：①軟件具有很好的可拓展性，通過修改GL Studio配置文件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型的儀表設(shè)計(jì)與開發(fā)；②硬件平臺(tái)具有低成本、易更換、連接方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；③儀表外殼的機(jī)械加工同樣可實(shí)現(xiàn)不同需求的個(gè)性化定制。

表2 三種半實(shí)物仿真儀表的對(duì)比分析

圖5 半實(shí)物仿真指令地平儀俯視圖（單位：mm）

4 結(jié)語

本研究利用GL Studio軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)半實(shí)物仿真儀表的建模設(shè)計(jì)以及儀表驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，并結(jié)合嵌入式拿鐵熊貓硬件平臺(tái)，安裝嵌入式Win10操作系統(tǒng)，將GL Studio的儀表仿真模型部署到該嵌入式計(jì)算機(jī)中，基于UDP報(bào)文協(xié)議與飛行模擬器主仿真程序通信，通過HDMI輸出目標(biāo)儀表的視頻顯示結(jié)果。最后，通過原機(jī)測(cè)繪，設(shè)計(jì)目標(biāo)半實(shí)物仿真儀表的機(jī)械外殼。將總裝集成后的儀表裝配于待修理飛行模擬器，完成該項(xiàng)修理任務(wù)。