半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台，属于飞机模拟操纵的【技术领域】。所述数字式模拟操纵平台包括：驾驶舱视景系统，飞行操纵装置，数据采集系统，安置在模拟驾驶舱内以及中央操纵台内用于实时显示仪表数据的显示器，仿真计算机、仪表计算机及连接仿真计算机网络设备、仪表计算机网络设备的交换机。仿真计算机根据飞机系统仿真模型得到驾驶舱仪表显示数据，并通过UDP传输至仪表计算机，仪表计算机以仿真计算机的输出数据驱动虚拟仪表实时显示飞机状态。本平台根据飞机系统模型仿真结果以虚拟仪表实现动态仿真数据的实时显示，具有逼真度高、成本低的优点。
【专利说明】半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台
【技术领域】
[0001]本发明公开了半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台，属于飞机模拟操纵的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台是实现人在环路飞行仿真的必要操纵平台，是实现模拟飞行以及仪表工程仿真开发的必须组件，目前仪表仿真一类是采用航材仪表进行改装实现，成本高、接口数据庞大、安装复杂、实施难度大，尤其是对于国外飞机的仪表仿真往往因为无法获得完整的总线数据定义而实现困难，另一类是基于简单构建的仪表仿真界面，缺少飞机系统仿真模型的数据驱动，无法进行飞机全剖面的飞行仿真，因此，急需一种依靠PC环境和软件仿真技术，以飞机系统仿真模型数据驱动实现的半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台。
[0004]本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台，包括:
为飞行员提供模拟飞行视景的驾驶舱视景系统，
在模拟驾驶舱内飞行员乘坐空间安置的飞行操纵装置，
采集飞行操纵装置操纵数据的数据采集系统，
安置在模拟驾驶舱内以及中央操纵台内的用于实时显示仪表数据的触摸显 示器，
根据飞行操纵装置操纵输入数据、飞机飞行数据，结合动力学方程、飞机系统仿真模型得到虚拟仪表显示数据的仿真计算机，
用于处理虚拟仪表显示数据得到仪表实时显示数据的的仪表计算机，
连接仿真计算机网络设备、仪表计算机网络设备的交换机。
[0005]所述半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台中，仪表计算机利用GL studio软件处理虚拟仪表显示数据得到仪表实时显示数据。
[0006]所述半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台中，驾驶舱视景系统根据飞机姿态以及地景数据库生成三维画面。
[0007]所述半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台实现虚拟仪表数据显示的方法，具体包括如下步骤:
步骤1，仿真计算机依据飞机的飞行数据和动力学方程，建立飞机系统仿真模型；
步骤2，通过数据采集系统获取操纵输入数据；
步骤3，仿真计算机结合数据采集系统获取的操纵输入数据，根据飞机系统仿真模型得到虚拟仪表显示数据；
步骤4，仪表计算机建立驾驶舱仪表模型，以UDP数据为输入数据得到虚拟数据，驾驶舱仪表模型在数据传输协议下生成驱动数据；
步骤5，显示器显示虚拟数据，航空仪表盘在驱动数据作用下实时显示飞机经纬度、高度、舵偏角数据。
[0008]所述利用半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台实现虚拟仪表数据显示的方法，虚拟仪表显示数据按照UDP协议传输。
[0009]本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:
(1)根据实时采集的操纵组件操纵数据以及飞机状态参数得到用于仪表仿真的驱动数据，实现了仪表数据的动态显示，弥补了现有技术中只能显示静态操纵数据的缺陷，实现人在环路的闭环仿真；
(2)相对于现有技术中采用航材仪表进行改装实现的仪表仿真，本发明在考虑了飞机模型仿真的影响的前提下降低了仿真成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台的架构示意图。
[0011]图2为虚拟仪表系统实现仪表仿真方法的示意图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
[0013]如图1所示的半物理飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台，包括:
在模拟驾驶舱内飞行员乘坐空间安置的飞行操纵装置，飞行操纵装置包括驾驶盘、驾驶杆、脚蹬、油门台、方式控制板(MCP)以及数字数飞行仪表显示系统(EFIS)等；
采集飞行操纵装置操纵数据的数据采集系统，飞行操纵装置的操纵数据经过数据采集系统的I/0、A/D电路转化为数字量，经过串口传输到仿真计算机中；
根据飞行操纵装置操纵数据、飞机状态参数，结合空气动力学模型、大气环境仿真模型、地面操纵力仿真模型、飞机系统仿真模型得到驱动数据的仿真计算机，飞机系统仿真模型包含:空调系统模型、自动飞行系统模型、电源系统模型、防火系统模型、飞行控制系统模型、燃油系统模型、液压系统模型、防冰防雨系统模型、起落架系统模型、导航系统模型、气源系统模型、APU系统模型、发动机系统模型，飞机系统仿真模型以仿真控制系统(即为中央操纵台的操作按钮)设置的飞机状态参数，如零燃油重量、重心、燃油量、地面电源、地面气源、飞机经纬度、高度、环境风，动态模拟飞机系统；
安置在模拟驾驶舱内以及中央操纵台内用于实时显示仪表数据的显示器:模拟驾驶舱内安置的三块触摸显示屏分别用于机长侧仪表显示、副驾驶侧仪表显示和发动机参数显示，中央操纵台的两块触摸显示器分别用于多功能控制显示组件(MCDU)和下显示组件(LDU)显示，根据机型的需要，在显示器上安装铝合金蒙版，露出需要的部分，遮蔽其余部分，使仿真仪表的外观更加接近所模拟机型；
为飞行员提供模拟飞行视景的驾驶舱视景系统，根据仿真计算机输出的飞行 姿态、飞机经纬度、高度、舵偏角等数据，实时调用地景数据库中的地形数据生成三维画面，并输出到投影系统形成视景画面，为飞行员提供较为真实的视觉感受；
由驱动信号得到实时显示数据的仪表计算机，仪表计算机利用二维/三维仪表仪表仿真软件如GL Studio,以驱动数据为输入数据仿真得到用于实时显示的仪表数据，通过安置在模拟驾驶舱内以及中央操纵台内用于实时显示仪表数据的显示器提供仪表显示界面，实现主飞行显示器(PFD)、导航显示器(ND)、发动机参数显示器(ED)、集成式备用仪表(ISI)、无线电磁指示仪(RMI)的数据显示；
主飞行显示器(PFD)为飞行航路控制所需参数提供动态彩色显示，显示包括:飞行方式提示、空速、高度、垂直速度、姿态、操纵信息、无线电高度、仪表着陆系统显示、决断高度、航向/航迹指示、TCAS指示和EGPWS指示，飞机系统出现故障都会有故障旗显示；
导航显示(ND)提供彩色飞行进程显示，显示方式包括MAP、APP、VOR和PLN方式，MAP、VOR和APP模式可在半罗盘的扩展模式和全罗盘的中心模式之间转换。
[0014]发动机参数显示器(ED)显示发动机的温度、推力方式、NI转速和EGT、发动机故障警报及其机组警报等；
下显示组件(LDU)位于在中央操纵台前面板，显示发动机的N2转速、燃油流量、滑油压力、滑油温度、滑油流量和发动机振动值等，同时可以提供提液压和飞控系统指示；
连接仿真计算机网络设备、仪表计算机网络设备的交换机，仿真计算机得到的驱动数据按照UDP协议传输至仪表计算机。
[0015]物理结构包括舱体外壳、底座、遮光罩安装结构、仪表板、飞机操纵装置。半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台，以所模拟机型的座舱结构和仪表布局特点为基础，结合现代仿真技术及应用环境等综合因素，采用虚拟仪表技术实现仪表的仿真，通过由大气环境模型、空气动力学模型、地面操纵力模型和飞机系统仿真模型的组成的交联仿真系统为虚拟仪表提供驱动数据，并且应用仪表仿真软件实现虚拟仪表画面模拟，通过安装在座舱仪表板和中央操纵台上的显示器提供显示画面，模拟真实飞机的操作和反馈。在座舱中安装驾驶盘、脚蹬等飞行控制组件，以及数字式飞行仪表显示系统(EFIS)控制板、方式控制板(MCP)等控制板，实现人在环路的飞行仿真。
[0016]半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台可以模拟并实现飞机的起飞、巡航、降落等各个阶段的过程，从而模拟出仪表各个阶段的参数和显示状态。方式控制板(MCP)主要用于控制飞机的DFCS系统(数字式飞行控制系统)，选择自动飞行系统的工作方式、预选航向、空速、高度等，位于遮光罩中部。EFIS控制板包括左右两块，主要用于控制飞机的仪表系统，控制PFD、ND的显示内容、气压基准、决断高度等，位于遮光罩两侧。驾驶盘/杆主要提供飞机的滚转和俯仰姿态控制。脚蹬提供飞机偏航控制功能和刹车控制功能。油门台能够实现发动机的控制功能，包括推力手柄、反推手柄、扰流板控制手柄、襟缝翼控制手柄、水平安定面配平轮、停留刹车、以及燃油切断手柄等。以上几部分相关硬件在系统中能够通过I/O、A/D采集系统能完整地实现驱动，并且通过数据总线接口与主控计算机连接，数据获取后经仿真模型解算，有效地将飞机各阶段的仪表驱动数据传送给仪表显示计算机，飞行操纵人员根据仪表显示和当前状态进行后续的操作，实现完整的控制过程。
[0017]虚拟仪表系统实现仪表仿真方法如图2所示，包括如下步骤:
步骤1，仿真计算机依据飞机的飞行数据和动力学方程，建立飞机系统仿真模型；
步骤2，通过数据采集系统获取操纵输入数据； 步骤3，仿真计算机结合数据采集系统获取的操纵输入数据，根据飞机系统仿真模型得到虚拟仪表显示数据；
步骤，4仪表计算机建立驾驶舱仪表模型，以UDP数据为输入数据得到虚拟数据，驾驶舱仪表模型在数据传输协议下生成驱动数据；
步骤5，显示器显示虚拟数据，航空仪表盘在驱动数据作用下实时显示飞机经纬度、高度、舵偏角等数据。
[0018]本模拟操纵平台能够实时接收仿真数据并反馈给虚拟仪表系统，由模拟系统产生的信号经网络发送到仪表计算机上。本系统所设计的虚拟仪表完全可以满足各种形式的二维、三维虚拟仪表开发(比如GL Studio、MutiGen Creator、Vega Primer等)，也可设计开发符合ARINC661标准的真实航空仪表显示系统。
[0019]虚拟仪表的驱动数据是在局域网内不同计算机之间进行通信。而Windows Socket是针对TCP/IP编程的底层Windows API,借助于Winsock可以较好地实现网内通讯。基于Winsock编程时，根据该系统实际情况，任务计算机以广播形式进行数据传输，即采用基于UDP (面向无连接的)Socket编程，客户计算机实时从网络获取数据并显示。
[0020]采用UDP的方式，确保了显示数据的实时性，不会出现因为网络阻塞而使显示滞后等情况。UDP方式下对于20ms/次的发送速率而言，不会影响视觉反应，能够保证平台实现实时响应。本模拟操纵平台驱动虚拟仪表设计需完成的目标是:将飞机的飞行状态信息，包括飞行阶段显示、飞行状态、发动机状态、舵面偏度、俯仰角、滚转角、航向角、侧偏距、侧偏移速度、飞行高度，垂直速度、地速、空速等信息详尽、合理的表现出来，尤其是满足真实飞机的要求，实现虚拟仪表的仿真开发和新飞机仪表的探索性设计开发。可实现的EFIS仪表包括主飞行显示器(PFD)、导航显示器(ND)、发动机参数显示器(ED)、下显示组件(LDU)
坐寸ο
[0021]综上所述，本发明涉及的半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台具有以下有益效果:
(1)根据实时采集的操纵组件操纵数据以及飞机状态参数得到用于仪表仿真的驱动数据，实现了仪表数据的动态显示，弥补了现有技术中只能显示静态操纵数据的缺陷，实现人在环路的闭环仿真；
(2)相对于现有技术中采用航材仪表进行改装实现的仪表仿真，本发明在考虑了飞机模型仿真的影响的前提下降低了仿真成本。
【权利要求】
1.半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台，包括: 为飞行员提供模拟飞行视景的驾驶舱视景系统， 在模拟驾驶舱内飞行员乘坐空间安置的飞行操纵装置， 采集飞行操纵装置操纵数据的数据采集系统， 安置在模拟驾驶舱内以及中央操纵台内的用于实时显示仪表数据的触摸显 示器， 其特征在于:所述半物理的飞行驾驶舱数字式模拟操纵平台还包括: 根据飞行操纵装置操纵输入数据、飞机飞行数据，结合动力学方程、飞机系统仿真模型得到虚拟仪表显示数据的仿真计算机， 用于处理虚拟仪表显示数据得到仪表实时显示数据的的仪表计算机， 连接仿真计算机网络设备、仪表计算机网络设备的交换机。
2.根据权利要求1所述的半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台，其特征在于:所述仪表计算机利用GL studio软件处理虚拟仪表显示数据得到仪表实时显示数据。
3.根据权利要求1或2所述的半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台，其特征在于:所述驾驶舱视景系统根据飞机姿态以及地景数据库生成三维画面。
4.利用权利要求1或2所述的半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台实现虚拟仪表数据显示的方法，其特征在于:具体包括如下步骤: 步骤1，仿真计算机依据飞机的飞行数据和动力学方程，建立飞机系统仿真模型； 步骤2，通过数据采集系统获取操纵输入数据； 步骤3，仿真计算机结合数据采集系统获取的操纵输入数据，根据飞机系统仿真模型得到虚拟仪表显示数据； 步骤，4仪表计算机建立驾驶舱仪表模型，以UDP数据为输入数据得到虚拟数据，驾驶舱仪表模型在数据传输协议下生成驱动数据； 步骤5，显示器显示虚拟数据，航空仪表盘在驱动数据作用下实时显示飞机经纬度、高度、舵偏角数据。
5.根据权利要求4所述的利用半物理的飞机驾驶舱数字式模拟操纵平台实现虚拟仪表数据显示的方法，其特征在于，所述虚拟仪表显示数据按照UDP协议传输。
【文档编号】G09B9/08GK103473966SQ201310383669
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】孙有朝, 张燕军, 杨建荣, 顾增辉 申请人:南京航空航天大学