民機(jī)自動飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鐘倫瓏 石慶研 張 鵬 張 旗

(1. 中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院, 天津 300300)

(2. 中國民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心, 天津 300300)

(3. 中國民航大學(xué) 教師教學(xué)發(fā)展中心, 天津 300300)

得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用,除了起飛階段需要人工控制外,現(xiàn)代民機(jī)可以實(shí)現(xiàn)全階段自動飛行控制[1]。所謂自動飛行控制是指根據(jù)飛行任務(wù)生成控制指令,控制飛機(jī)的爬升、巡航、下降、進(jìn)場著陸等飛行階段[2],自動飛行工作模式多、工作過程復(fù)雜、運(yùn)動抽象、參變量多,真實(shí)復(fù)現(xiàn)整個(gè)飛行控制過程復(fù)雜、成本高昂。因此,民機(jī)自動飛行控制難以開展基于實(shí)體的飛行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但是,飛行實(shí)驗(yàn)教學(xué)對機(jī)務(wù)維修工程專業(yè)學(xué)生理解飛行控制原理、設(shè)計(jì)飛行控制律非常有幫助。

現(xiàn)代信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上應(yīng)用,催生了在線虛擬仿真,學(xué)生可以不受時(shí)空限制地開展線上實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”的目的,并能節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本等[3]。國內(nèi)部分高校開發(fā)了一些針對民航工程技術(shù)教育的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。如,針對飛行技術(shù)專業(yè),在數(shù)學(xué)軟件Matlab中建立飛機(jī)的動力學(xué)模型,與飛行模擬軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,開發(fā)了三維可視化的飛行仿真實(shí)驗(yàn)[4]。面向機(jī)務(wù)維修專業(yè),在數(shù)學(xué)軟件Matlab中建立飛機(jī)系統(tǒng)模型,虛擬儀器軟件Labview中開發(fā)飛行指示儀表板,使用C#搭建用戶界面,開發(fā)了與飛機(jī)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[5]?；谔摂M現(xiàn)實(shí)、信息處理等技術(shù),以塔臺視景仿真為中心,開發(fā)了空管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺[6]。但是,大部分針對民航工程技術(shù)教育的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于現(xiàn)成商用軟件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境,不具備線上實(shí)驗(yàn)功能。

本文針對機(jī)務(wù)維修工程專業(yè)的學(xué)習(xí)要求,依托中國民航大學(xué)開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺,以空間運(yùn)動認(rèn)知、手動飛行控制、自動飛行控制和自動飛行模式設(shè)計(jì)為四大模塊,開發(fā)一種基于瀏覽器-服務(wù)器(B-S)結(jié)構(gòu)的交互式民機(jī)自動飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,為電子信息工程學(xué)生提供在線認(rèn)知自動飛行控制系統(tǒng)、分析飛行原理、進(jìn)行飛行模式和控制律設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)

1.1 平臺總體架構(gòu)

民機(jī)自動飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)從機(jī)務(wù)維修工程實(shí)踐教學(xué)需求出發(fā),通過構(gòu)建高仿真度的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象,學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn),達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。平臺的前端系統(tǒng)主要功能如圖1所示,除了在平臺的后端系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的全流程記錄外,平臺圍繞民機(jī)自動飛行功能的實(shí)現(xiàn),構(gòu)建了空間運(yùn)動認(rèn)知、手動飛行控制、自動飛行控制律設(shè)計(jì)和自動飛行模式設(shè)計(jì)等四個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊。通過三維建模、繪制及渲染、紋理處理等技術(shù),搭建逼真的飛機(jī)飛行場景。在飛機(jī)飛行動力學(xué)模型基礎(chǔ)上,模擬飛行參數(shù)驅(qū)動仿真飛機(jī)模型,可精確體現(xiàn)各飛行階段控制效果,提高在虛擬環(huán)境中對飛行控制效果的真實(shí)感。

在平臺進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),達(dá)到以下教學(xué)目標(biāo):了解飛行控制系統(tǒng)(包括操縱舵面、飛行操縱機(jī)構(gòu)、駕駛艙飛行控制組件)、常用坐標(biāo)系、飛行運(yùn)動參數(shù)等知識;熟練掌握飛行控制原理與自動飛行控制律的作用,了解自動飛行控制回路的構(gòu)成,能夠完成姿態(tài)和軌跡控制律的設(shè)計(jì);熟悉掌握自動飛行模式在飛行過程中的作用,能夠完成自動飛行模式的切換邏輯。

1.2 平臺對理論教學(xué)的支撐

空間運(yùn)動認(rèn)知實(shí)驗(yàn)?zāi)K增強(qiáng)學(xué)生對運(yùn)動坐標(biāo)系、飛行運(yùn)動參數(shù)、飛機(jī)操縱面等基礎(chǔ)知識的認(rèn)知,其他三個(gè)模塊包括13個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),而課堂理論教學(xué)主要包括空間運(yùn)動表示、姿態(tài)控制、軌跡控制和系統(tǒng)實(shí)例等部分,基于平臺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論教學(xué)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可完全支撐課堂理論教學(xué),促進(jìn)了學(xué)生對課堂所學(xué)知識的理解、掌握和拓展應(yīng)用。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺原理

2.1 空間運(yùn)動認(rèn)知實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

民機(jī)空間運(yùn)動基于坐標(biāo)系和運(yùn)動參數(shù)來描述,通過偏轉(zhuǎn)操縱面和改變油門桿來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。

坐標(biāo)系主要包括地面、機(jī)體、速度、航跡四個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)、軸向定義、功能等知識描述。坐標(biāo)系主要用于描述飛機(jī)的慣性運(yùn)動、機(jī)體轉(zhuǎn)動、空氣動力、質(zhì)心軌跡。

運(yùn)動參數(shù)可視為不同坐標(biāo)系之間的關(guān)系以及坐標(biāo)系的運(yùn)動情況,主要包括姿態(tài)角、航跡角、氣流角三類8個(gè)角度的空間定義、符號描述。

飛行中,民機(jī)通過改變操縱面偏轉(zhuǎn)角度改變力和力矩的分布,從而改變運(yùn)動參數(shù)。操縱面可以分為主操縱面和輔助操縱面,具體為升降舵、方向舵、副翼、襟翼、縫翼、水平安定面、垂直安定面、擾流板等八類操縱面,操縱面偏轉(zhuǎn)主要涉及操縱面的名稱、功能及偏轉(zhuǎn)極性描述。

空間運(yùn)動認(rèn)知實(shí)驗(yàn)用于培養(yǎng)學(xué)生的空間運(yùn)動認(rèn)知能力,為自動飛行控制、手動飛行控制、自動飛行模式三類實(shí)驗(yàn)奠定空間運(yùn)動描述基礎(chǔ)。

2.2 自動飛行控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

自動飛行控制是指自動飛行控制系統(tǒng)根據(jù)飛行任務(wù)生成控制指令,完成自動爬升、三軸姿態(tài)保持、巡航、進(jìn)場著陸等一系列控制的工作過程。不同飛行任務(wù)生成的控制指令不同,涉及的控制過程不同。

自動飛行控制系統(tǒng)包括舵回路、姿態(tài)回路和軌跡回路三種基本回路,如圖3所示。舵回路是一個(gè)伺服回路,用于改善舵機(jī)的性能以滿足飛行控制系統(tǒng)的要求,由舵機(jī)、放大器和反饋元件組成,通常將舵機(jī)的輸出信號反饋到輸入端形成負(fù)反饋回路的隨動系統(tǒng)。姿態(tài)回路由姿態(tài)傳感器、計(jì)算裝置和舵回路組成,用于穩(wěn)定、控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)。姿態(tài)回路加上測量飛機(jī)軌跡信號的運(yùn)動學(xué)傳感器,以及表征飛機(jī)空間幾何位置關(guān)系的運(yùn)動學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成的回路稱為軌跡回路,軌跡回路對傳感器(導(dǎo)航設(shè)備)感知到的實(shí)時(shí)軌跡信息與飛行管理輸出的參考飛行軌跡或人工設(shè)置的目標(biāo)點(diǎn)位置進(jìn)行比較計(jì)算,得到相應(yīng)的偏差,并解算出姿態(tài)回路所需的控制信號,從而完成飛機(jī)的航跡控制。

圖3 自動飛行控制系統(tǒng)的基本回路

將飛機(jī)視為剛體,飛機(jī)在空間的運(yùn)動有六個(gè)自由度,即質(zhì)心的三個(gè)移動自由度和繞質(zhì)心的三個(gè)轉(zhuǎn)動自由度。依照對稱平面的幾何特性將六個(gè)自由度分成縱向運(yùn)動和橫側(cè)向運(yùn)動兩類。

縱向自動飛行控制是指由控制系統(tǒng)對飛機(jī)縱向運(yùn)動進(jìn)行的自動控制,包括自動俯仰角控制、自動高度保持控制,控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。飛機(jī)作為被控對象,其縱向運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型如式(1)、式(2)所描述的狀態(tài)方程。按照該模型,飛機(jī)的輸入是升降舵和油門桿偏角,而輸出就是飛機(jī)的縱向運(yùn)動量,即俯仰角和角速度、迎角、飛行速度以及高度。因此,對于飛機(jī)的縱向自動飛行控制,通過反饋縱向運(yùn)動變量,并經(jīng)控制律計(jì)算、控制分配,最終形成對升降舵和油門桿的指令偏角,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)縱向運(yùn)動的自動控制。

圖4 飛機(jī)縱向自動飛行控制的基本結(jié)構(gòu)

(1)

Δγ=Δθ-Δα

(2)

式(1)、式(2)中,ΔV為速度增量,Δα為迎角增量,Δq為俯仰角速度增量,Δθ為俯仰角增量,Δγ為航跡傾斜角增量,ΔδT為推力設(shè)置增量,Δδe為升降舵偏角增量,X*為相應(yīng)的縱向力系數(shù),Z*為相應(yīng)的法向力系數(shù),M*為相應(yīng)的俯仰力矩系數(shù),各參數(shù)具體含義請參閱文獻(xiàn)[7]。

橫側(cè)向自動飛行控制是指由控制系統(tǒng)對飛機(jī)橫側(cè)向運(yùn)動進(jìn)行的自動控制,包括自動側(cè)向角控制、自動側(cè)向偏離控制,控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。橫側(cè)向運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型如式(3)所描述的狀態(tài)方程。按照該模型,滾轉(zhuǎn)角控制和側(cè)滑角控制為控制結(jié)構(gòu)核心,航向控制作為滾轉(zhuǎn)角控制的外回路,而水平軌跡控制又以航向控制作為內(nèi)回路。飛機(jī)的輸入是副翼和方向舵舵偏角,輸出就是飛機(jī)的橫側(cè)向運(yùn)動量,即滾轉(zhuǎn)角和角速度、航向角、側(cè)滑角以及偏航距、偏航速度。類似地,對于飛機(jī)橫側(cè)向自動飛行控制,通過反饋橫側(cè)運(yùn)動變量,并經(jīng)控制律計(jì)算、控制分配,最終形成對副翼和方向舵的舵偏角指令,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)橫側(cè)向運(yùn)動的自動控制。

圖5 飛機(jī)橫側(cè)向自動飛行控制的基本結(jié)構(gòu)

(3)

式(3)中,Δβ為側(cè)滑角增量,Δp為滾轉(zhuǎn)角增量,Δr為偏航角速度增量,Δφ為傾斜角增量,Δδa為副翼舵偏角增量,Δδr為方向舵偏角增量,Y*為相應(yīng)的側(cè)向力系數(shù),L*為相應(yīng)的滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù),N*為相應(yīng)的偏航力矩系數(shù),g為重力加速度,V0為基準(zhǔn)飛行速度,各參數(shù)具體含義請參閱文獻(xiàn)[7]。

2.3 手動飛行控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

手動控制是指飛機(jī)在自動飛行模式下,不退出原飛行模式的情況下,飛行員由飛行控制組件輸入航向指令、高度指令輸入量疊加于當(dāng)前機(jī)上相應(yīng)指令,改變飛機(jī)飛行狀態(tài)的工作模式。即“自動飛行控制基礎(chǔ)上的人工疊加控制”,包括手動航向控制和手動高度控制兩類。控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 飛機(jī)手動飛行控制的基本結(jié)構(gòu)

接通“航向控制”電門,手動航向控制通過控制指令“向左”“向右”“直飛”改變飛機(jī)的飛行航向,實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)航向的手動控制。

接通“高度控制”電門,手動高度控制通過控制指令“爬升”“平飛”“下滑”改變飛機(jī)的飛行高度,實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)高度的手動控制。

2.4 “自動飛行模式”模塊設(shè)計(jì)

民機(jī)為保障復(fù)雜飛行環(huán)境下的飛行控制效果,結(jié)合各飛行階段特點(diǎn),簡化飛行控制復(fù)雜度,按照縱向和橫側(cè)向設(shè)置了不同的自動飛行模式,同時(shí)建立了基于飛行狀態(tài)判斷的模式銜接、斷開、轉(zhuǎn)換規(guī)則。

縱向自動飛行模式:保持飛機(jī)在設(shè)定氣壓高度的高度保持方式;按設(shè)定升降速率改變飛行高度的垂直速度方式;以垂直速度方式截獲到設(shè)定高度時(shí)的高度截獲方式;垂直剖面由飛行管理計(jì)算機(jī)自動控制,按設(shè)定飛行計(jì)劃自動飛行的垂直導(dǎo)航方式。

橫側(cè)向自動飛行模式:改變飛機(jī)航向到設(shè)定角度的航向選擇方式;保持在選定航向的航向保持方式;切向VOR航道并沿該航道向背臺飛行的VOR方式;水平剖面由飛行管理計(jì)算機(jī)自動控制,按設(shè)定航線自動飛行的水平導(dǎo)航方式。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺開發(fā)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺總體方案,分析了各個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K原理后,采用瀏覽器-服務(wù)器(B-S)結(jié)構(gòu),基于WebGL技術(shù)、JAVA語言和Eclipse作為軟件開發(fā)平臺,開發(fā)民機(jī)自動飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。依托于中國民航大學(xué)開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺的支撐,二者通過數(shù)據(jù)接口無縫對接,保證學(xué)生能夠隨時(shí)隨地通過瀏覽器訪問該項(xiàng)目,并通過平臺提供的面向用戶的智能指導(dǎo)、自動批改服務(wù)功能,盡可能幫助用戶實(shí)現(xiàn)自主的實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開放服務(wù)能力,提升開放服務(wù)效果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺整體架構(gòu)如圖7所示,包括數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層和應(yīng)用層等5層,各層起到的作用如下:

圖7 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺整體架構(gòu)

1)數(shù)據(jù)層

民機(jī)自動飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目涉及多種類型虛擬實(shí)驗(yàn)組件及數(shù)據(jù),這里分別設(shè)置虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)元件庫、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫、典型實(shí)驗(yàn)庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、規(guī)則庫、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用戶信息等來實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。

2)支撐層

支撐層是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與開放共享平臺的核心框架,是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正常開放運(yùn)行的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理。支撐平臺包括以下幾個(gè)功能子系統(tǒng):安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控、域管理、域間信息服務(wù)等。

3)通用服務(wù)層

通用服務(wù)層即開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺,提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件,以便用戶能夠快速在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通用服務(wù)包括:實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、理論知識學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)資源管理、智能指導(dǎo)、互動交流、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動批改、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、教學(xué)效果評估、項(xiàng)目開放與共等,同時(shí)提供相應(yīng)集成接口工具,以便該平臺能夠方便集成第三方的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)入統(tǒng)一管理。

4)仿真層

仿真層主要針對該項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的器材建模、實(shí)驗(yàn)場景構(gòu)建、虛擬儀器開發(fā)、提供通用的仿真器,最后為上層提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。

5)應(yīng)用層

基于底層的服務(wù),實(shí)現(xiàn)民機(jī)自動飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與開放共享。同時(shí),可以利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的相應(yīng)的器材模型,設(shè)計(jì)各種綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)例,最后面向?qū)W校開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。

3.2 重要仿真模塊

仿真層是民機(jī)自動飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心層,關(guān)系到最后呈現(xiàn)的飛行效果可視化效果。圍繞系統(tǒng)和環(huán)境仿真模型,飛行控制模塊進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1)系統(tǒng)和環(huán)境仿真模型

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以典型民航飛機(jī)——B737飛機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象,仿真飛機(jī)氣動布局、外形尺寸與真實(shí)飛機(jī)一致,飛行性能參數(shù)接近真實(shí)飛機(jī),實(shí)現(xiàn)了對實(shí)體飛機(jī)形態(tài)特點(diǎn)、性質(zhì)特征、運(yùn)動特征、操縱特征、控制特性、作用特征的仿真再現(xiàn),如圖8所示。

圖8 飛機(jī)模型的仿真度

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的飛行階段包括地面滑行、起飛爬升、巡航平飛、下降高度、進(jìn)近著陸等,與實(shí)際飛行的主要階段一致。仿真系統(tǒng)描述的飛機(jī)操控特性與真實(shí)裝備實(shí)際操控的方法和結(jié)果一致,操控流程、操控人機(jī)接口和飛機(jī)空中狀態(tài)的仿真度,符合真實(shí)裝備飛行操控的再現(xiàn)要求,相關(guān)的操作設(shè)備接口如圖9所示。

圖9 自動飛行控制系統(tǒng)人工操作設(shè)備接口三維模型

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的環(huán)境場景主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境、飛行場景、機(jī)場跑道的再現(xiàn),如圖10所示。運(yùn)行環(huán)境針對實(shí)際飛行時(shí)的常規(guī)自然環(huán)境設(shè)計(jì),飛行場景、機(jī)場跑道針對飛行時(shí)的常見場景和機(jī)場設(shè)計(jì),任務(wù)場景的情節(jié)、過程、態(tài)勢和效果的仿真度,符合真實(shí)運(yùn)行環(huán)境和飛行場景的再現(xiàn)要求。

2)飛行控制模塊

通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面的“自動飛行控制”,進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)K,屏幕左側(cè)為主飛行顯示器PFD、導(dǎo)航顯示器ND、飛行控制組件FCU、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速表,飛機(jī)處于待起飛狀態(tài)(發(fā)動機(jī)已開車)。地面場景、空中場景、起飛音效分別模擬真實(shí)機(jī)場環(huán)境、飛行場景、發(fā)動機(jī)聲音。系統(tǒng)初始化完成,飛機(jī)處在預(yù)設(shè)的姿態(tài),屏幕上方彈出俯仰角控制、側(cè)向角控制、高度保持控制、側(cè)向偏離控制四個(gè)典型控制方式供選擇。設(shè)置好控制方式和控制律參數(shù)后,飛機(jī)運(yùn)動起來,并在屏幕上動態(tài)顯示FCU內(nèi)容及運(yùn)動參數(shù)數(shù)值,如圖11所示。

如圖12所示,在參數(shù)顯示界面里,可以設(shè)定自動飛行模式、控制目標(biāo)、控制律參數(shù),選定干擾類型,并對仿真過程進(jìn)行控制。界面內(nèi)也顯示運(yùn)動參數(shù)的變化情況。

圖12 民機(jī)自動飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺參數(shù)界面

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺應(yīng)用

基于民機(jī)自動飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,本著“學(xué)生中心、問題導(dǎo)向、工程思維”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念,借助信息化手段,將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)向課前延伸、向課后拓展,開展任務(wù)牽引的“三階段”混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。第一階段,實(shí)驗(yàn)前,教師作為設(shè)計(jì)者,通過發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)單,促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)。教師主要任務(wù)是做好在線資源,制作在線試題,與學(xué)生討論交流,并提供個(gè)性指導(dǎo),輔助學(xué)生對實(shí)驗(yàn)任務(wù)有更好的認(rèn)識。第二階段,教師是引導(dǎo)者,通過對第一階段學(xué)生的課前學(xué)校效果反饋,講解重點(diǎn)知識,促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中主動探究。第三階段,教師是協(xié)助者,協(xié)助學(xué)生基于教學(xué)平臺,開展自主創(chuàng)新活動,針對個(gè)體開展個(gè)性輔導(dǎo),并反思實(shí)驗(yàn)效果。

除了空間運(yùn)動認(rèn)知、手動飛行控制、自動飛行控制律設(shè)計(jì)和自動飛行模式設(shè)計(jì)可包含的實(shí)驗(yàn)之外,借助仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,師生還可開展。

進(jìn)行舵偏角、姿態(tài)、軌跡等飛行參數(shù)測試,并可對所測得的舵偏角、姿態(tài)、軌跡進(jìn)行分析與處理,聯(lián)系飛行力學(xué)對參數(shù)變化曲線進(jìn)行分析解釋。如:①等速平飛的條件下,保持速度不變,變化升降舵偏角,測量迎角、航跡傾斜角、俯仰角等參數(shù)的數(shù)據(jù),再根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制迎角、航跡傾斜角、俯仰角等參數(shù)曲線圖,觀察、比較、分析參數(shù)的變化趨勢,分析各參數(shù)曲線的特點(diǎn)。②在協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎的條件下,保持速度不變,鎖死升降舵偏角,測量傾斜角、偏航角、高度等參數(shù)的數(shù)據(jù),根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制傾斜角、偏航角、高度等參數(shù)曲線圖,觀察、比較、分析參數(shù)的變化趨勢,分析各參數(shù)曲線的特點(diǎn)。

5 結(jié)語

民機(jī)自動飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)成果已于2021-2022(2)學(xué)期在電子信息工程專業(yè)(CDIO)進(jìn)行應(yīng)用與實(shí)踐。經(jīng)調(diào)查,學(xué)生反映能感受到虛擬仿真的特點(diǎn),認(rèn)為虛擬仿真能實(shí)現(xiàn)抽象概念形象化、理論問題工程化、動態(tài)過程立體化、變化規(guī)律明晰化。例如,2019級電子信息工程專業(yè)(CDIO)學(xué)生典型反饋意見建議:

(1)虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)空限制,可以更好開展飛控實(shí)驗(yàn)。

(2)以典型機(jī)型飛行控制系統(tǒng)為對象,開展課程實(shí)驗(yàn),有明確的應(yīng)用場景,控制效果可視化好,學(xué)習(xí)熱情和能動性普遍提高。

(3)實(shí)驗(yàn)提供在線資源很好,與實(shí)驗(yàn)過程緊密結(jié)合,可及時(shí)解決好些迷茫問題,建議進(jìn)一步豐富資源。