一种基于5G的分布式飞机刹车半实物仿真系统及仿真方法

一种基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统及仿真方法
技术领域
1.本发明涉及仿真领域，尤其涉及一种基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统及仿真方法。


背景技术：

2.飞机刹车半实物仿真系统可以发现飞机刹车控制系统可能存在的设计缺陷，有利于该刹车控制系统的进一步优化和改进。但由于在进行飞机刹车半实物仿真实验测试时，刹车试验台在室外进行滑跑实验时会处于运动的状态，试验人员在刹车试验台上进行测试有着一定的风险，导致飞机刹车半实物仿真系统测试安全性差。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中的至少一个技术问题，本公开提供了一种基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统及仿真方法。
4.本公开的一方面，一种基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统，包括本地端和远程端；
5.所述本地端包括相互通信连接的测控模块和第一通信模块；
6.所述远程端包括依次通信连接的第二通信模块、刹车仿真模块以及用于在刹车试验台测试的刹车控制系统；
7.所述第一通信模块与所述第二通信模块通信连接，所述第一通信模块和所述第二通信模块均为5g(5th generation mobile communication technology，第五代移动通信技术，简称5g)通信模块。
8.可选的，所述测控模块与所述第一通信模块通过实时以太网通信连接；
9.所述第二通信模块与刹车仿真模块通过实时以太网通信连接。
10.可选的，所述本地端还包括座舱脚蹬装置和混合现实座舱模拟装置；
11.所述座舱脚蹬装置和混合现实座舱模拟装置均与所述测控模块相连；
12.所述混合现实座舱模拟装置包括pc辅助显示模块和混合现实显示模块。
13.可选的，所述混合现实显示模块包括手势交互模块、第一刹车状态展示模块和第一连接状态展示模块；
14.所述pc(personal computer个人计算机)辅助显示模块包括第二刹车状态展示模块、第二连接状态展示模块和面板状态调整模块。
15.可选的，所述混合现实座舱模拟装置包括数据同步模块；
16.所述数据同步模块分别与所述pc辅助显示模块和混合现实显示模块相连。
17.可选的，所述第一通信模块与所述测控模块以实时以太网通信连接；
18.所述第二通信模块与所述刹车仿真模块以实时以太网通信连接。
19.可选的，所述刹车控制系统包括相连的压力控制阀和阀控制器。
20.本公开的另一方面，一种基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真方法，采用本公实
施例任一所述的基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统，方法包括：
21.测控模块向第一通信模块发送刹车控制信号，以使所述刹车控制信号依次经第一通信模块和第二通信模块传递到刹车仿真模块；
22.所述刹车仿真模块基于所述刹车控制信号确定当前状态的理论刹车压力，将当前状态的理论刹车压力发送到刹车控制系统；
23.所述刹车控制系统根据所述当前状态的理论刹车压力执行刹车压力控制，并向所述刹车仿真模块反馈实际刹车压力；
24.所述刹车仿真模块基于所述实际刹车压力确定下一状态的刹车过程状态数据，所述下一状态的刹车过程状态数据包含下一状态的理论刹车压力，将下一状态的理论刹车压力发送到刹车控制系统，以使刹车控制系统根据所述下一状态的理论刹车压力控制刹车压力，以及，将所述刹车过程状态数据发送到第二通信模块，以使得所述刹车过程状态数据经第二通信模块、第一通信模块反馈到测控模块。
25.可选的，所述刹车过程状态数据还包括滑移率、飞机速度和刹车温度中的至少一种。
26.可选的，所述刹车仿真模块基于所述刹车控制信号确定当前状态的理论刹车压力包括：
27.所述刹车仿真模块基于所述刹车控制信号，确定刹车模式；
28.根据所述刹车模式，确定当前状态的理论刹车压力。
29.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，可以提高进行飞机刹车半实物仿真实验测试时的安全性。
附图说明
30.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
31.图1示出了根据本公开示例性实施例的基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统的框图；
32.图2示出了根据本公开示例性实施例的混合现实座舱模拟装置的框图；
33.图3示出了根据本公开示例性实施例的第一刹车状态展示模块的框图；
34.图4示出了根据本公开示例性实施例的基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真方法的流程图；
35.图5示出了根据本公开示例性实施例的基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真方法的子流程图。
具体实施方式
36.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
37.应当理解，本公开的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本公开的范围在此方面不受限制。
38.本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
39.需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
40.本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
41.需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。
42.参见图1，基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统，包括本地端和远程端；
43.本地端包括相互通信连接的测控模块101和第一通信模块102；
44.远程端包括依次通信连接的第二通信模块103、刹车仿真模块104以及用于在刹车试验台测试的刹车控制系统105；
45.第一通信模块102与第二通信模块103通信连接。
46.本实施方式中的基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统，可以通过本地端的测控模块101通过5g通信无线控制远程端的刹车仿真模块104远程控制远程端的刹车仿真模块，以测试刹车控制系统，测试人员无需在刹车试验台的试验现场操作，降低测试人员的风险，提高测试的安全性。第一通信模块102和第二通信模块103均为5g通信模块，5g移动通信的超低时延特性使得基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统在远程无线控制刹车时，具有低延时的特性，使其满足远程仿真控制的实时性需求。其中，第一通信模块102和第二通信模块103可采用5g工业路由器等5g通信模块。
47.刹车仿真模块104可根据飞机动力学模型和刹车控制算法计算理论刹车压力，将理论刹车压力实时发送到刹车控制系统，由刹车控制系统进行刹车压力控制。刹车仿真模块104可以采用已有的飞机机体和机轮在刹车过程中的飞机动力学模型和基于最优滑移率的刹车控制算法计算理论刹车压力以及计算相关数据。也可以采用其他可以计算理论刹车压力的飞机动力学模型和刹车控制算法计算理论刹车压力，此处不做限定。同时，可以知道的，一些计算相关所需的参数可以事先初始化，例如机轮半径、升力系数、环境温度、转动惯量、阻力系数、初始速度、刹车片温度等。
48.基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统可包含刹车试验台，测控模块101可包括与第一通信模块以实时以太网通信连接的倍福控制器，刹车仿真模块104可包括第二通信模块以实时以太网通信连接的倍福控制器。
49.刹车控制系统104可在刹车试验台上测试，示例性的，刹车控制系统105包括刹压力控制阀和阀控制器，阀控制器与压力控制阀相连，压力控制阀用于与刹车盘相连，阀控制
器与刹车仿真模块104相连。刹车仿真模块104向阀控制器发送理论刹车压力，阀控制器根据理论刹车压力控制压力控制阀，以控制刹车盘刹车。刹车试验台是刹车半实物仿真试验台，还可以包括刹车盘、供油系统等，以实现刹车试验，此处不再详细描述。
50.刹车控制系统负责接收来自刹车仿真模块的理论刹车压力，控制作动器压力，并将刹车系统当前压力反馈回刹车仿真模块。
51.在一个可选实施方式中，测控模块101和第一通信模块102通过网线连接，以udp协议(user datagram protocol用户数据报协议)实现实时以太网通信，第二通信模块103和刹车仿真模块104通过网线连接，以udp协议实现实时以太网通信。
52.在一个可选实施方式中，参见图1，本地端还包括有分别与测控模块101相连的座舱脚蹬装置106和混合现实座舱模拟装置107。
53.混合现实座舱模拟装置107可以用于显示相关的仿真数据，如显示刹车过程状态数据等，混合现实座舱模拟装置107还以用于模拟座舱环境。
54.座舱脚蹬装置106可以用于向测控模块101发送脚蹬压力指令，以使得测控模块101可以根据脚蹬压力指令确定刹车模式，根据刹车模式生成刹车控制信号。
55.为了提升体验，基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统不仅有通信和仿真模拟的功能，还有其它的人机交互功能，如仿刹车控制管理以及刹车状态展示功能，为使用者提供一个方便直观的人机交互界面，以及座舱模拟功能，提供刹车脚蹬模块和混合现实座舱模拟装置，分别用于刹车脚蹬控制和飞机座舱屏幕模拟，给使用者提供一个真实的刹车体验。
56.飞机刹车半实物分仿真系统也可以设置上位机，上位机与测控模块101通信，由上位机直接进行刹车控制指令或座舱脚蹬模拟信号。上位机可以同时用于显示实时数据。
57.示例性的，混合现实座舱模拟装置107与测控模块101通过局域网通信连接。
58.示例性的，混合现实座舱模拟装置包括pc辅助显示模块和混合现实显示模块。参见图2，混合现实显示模块20包括手势交互模块201、第一刹车状态展示模块202和第一连接状态展示模块203。pc辅助显示模块21包括面板状态调整模块211、第二刹车状态展示模块212和第二连接状态展示模块213。
59.示例性的，参见图3，第一刹车状态展示模块包括刹车参数初始化展示模块301、刹车模式展示模块302、实时数据展示模块303、模拟仪表盘展示模块304和飞机模型展示模块305。刹车参数初始化展示模块显示本飞机刹车半实物仿真中的刹车参数，包括飞机参数、环境参数等。刹车模式展示模块显示当前飞机刹车的路面状态，如正常路况、湿滑路况、冰雪路况。实时数据展示模块块则与本地飞机刹车测控模块101建立udp通信，实时接收本地端收到的实时飞机刹车参数，进行可视化数据展示，例如展示刹车状态数据。模拟仪表盘展示模块则是为了提升使用体验，更加真实地对飞机刹车过程中的飞机速度，刹车压力，刹车温度进行可视化展示。飞机模型展示模块可以导入本次刹车模拟系统的刹车模型，利用混合现实的优势逼真地在现实世界中全方位展示本次刹车模拟系统所选用的飞机模型。采用空间锚点来记录飞机刹车虚拟展示面板在真实世界中的空间坐标。
60.pc辅助显示模块21对混合现实中刹车展示面板的空间位置和大小进行调整以及pc端面板展示。为了保证pc端与混合现实端的面板数据以及空间状态的同步，实现pc端对混合现实端的辅助调整功能以及pc端的面板展示，设计通信模块，以pc辅助显示模块21为
服务器，混合现实显示模块20块为客户端，建立tcp通信实现两端的信息同步
61.示例性的，混合现实座舱模拟装置对现实世界的场景理解与感应，混合现实显示模块还包括空间映射模块，空间映射模块添加空间锚点实现刹车展示面板在空间中的坐标定位，空间锚点可以根据需求自动调整空间位置，从而确保各锚点都可以根据实际空间精确定位。通过给飞机刹车模拟面板绑定空间锚，通过空间锚点来定位虚拟面板的位置，保证飞机刹车模拟面板可以稳定地在空间中进行展示，即使使用者在现实空间中来回走动，面板仍可保证位置固定。
62.示例性的，为了实现混合现实人机交互，通过手势对飞机刹车面板进行操作，通过添加手部跟踪配置文件，设置手部网络预置件实现手部可视化，通过手势和运动控制这两种方式进行交互。针对飞机刹车模拟面板设定两种交互动作：抓取动作和指针动作，由指针事件引发。抓取动作获取使用者的手掌的位置，由运动控制器依据使用者的手掌心为原点作为原点和旋转中心，对飞机刹车模拟面板进行抓取移动或旋转操作。指针动作表示空感知器的末端，当使用者距离飞机刹车模拟面板较远时，可以根据指针姿势远距离对面板进行抓取移动等控制。
63.在一个可选实施方式中，参见图2，混合现实座舱模拟装置包括数据同步模块22，数据同步模块分别与pc辅助显示模块21和混合现实显示模块20块相连，用同步pc辅助显示模块21与混合现实显示模块20块的数据，考虑到混合现实设备数量通常有限，因此为了满足需要多人监控的场合pc辅助显示模块21同样设置刹车模拟面板对刹车状态进行展示。面板调整模块设置不同按钮分别对面板的x、y、z轴、面板大小以及面板角度进行辅助调整。连接状态显示模块则对当前飞机刹车座舱模拟平台中的设备进行显示。
64.为了保证不同mr(混合现实()设备或者pc端之间的面板数据以及状态同步，混合现实座舱模拟装置107以pc端为服务器，其他设备为客户端建立tcp/ip(transmission control protocol/internet protocol，传输控制协议/网际协议)通信。当不同设备的混合现实座舱模拟装置107应用启动时，首先要与服务器进行连接，连接成功后，通过tcp/ip协议对平台下多设备进行数据同步。
65.在一个可选实施方式中，参见图1，第一通信模块102与测控模块101以实时以太网通信连接，第二通信模块103与刹车仿真模块104以实时以太网通信连接。第一通信模块102与测控模块101以实时以太网通信连接，第二通信模块103与刹车仿真模块104以实时以太网通信连接，配合第一通信模块102与第二通信模块1035g通信，可以使得系统通信设备成本低以及本地端与远程端之间数据传输延迟低。
66.在一个实施方式中，测控模块包含twincat plc hmi，twincat plc hmi是一种集成到twincat项目中的可视化工具。刹车仿真模块可包含twincat实时系统，由twincat实时系统实现仿真软件相关功能。
67.本实施例提供一种基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真系统，本地端上位机启动刹车，通过5g移动网络将信号发送至远程端，远程端接收到刹车信号后进行刹车模拟，并通过5g移动网络返回刹车过程状态数据给本地端进行上位机以及混合现实展示。
68.参见图1和图4，一种基于5g的分布式飞机刹车半实物仿真方法，包括：
69.s401，测控模块101向第一通信模块102发送刹车控制信号，以使刹车控制信号依次经第一通信模块102和第二通信模块103传递到刹车仿真模块104；
70.s402，刹车仿真模块104基于刹车控制信号确定当前状态的理论刹车压力，将当前状态的理论刹车压力发送到刹车控制系统105；
71.s403，刹车控制系统105根据当前状态的理论刹车压力执行刹车压力控制，并向刹车仿真模块104反馈实际刹车压力；
72.s404，刹车仿真模块104基于实际刹车压力确定下一状态的刹车过程状态数据，下一状态的刹车过程状态数据包含下一状态的理论刹车压力，将下一状态的理论刹车压力发送到刹车控制系统105，以使刹车控制系统105根据下一状态的理论刹车压力控制刹车压力，以及，将刹车过程状态数据发送到第二通信模块，以使得刹车过程状态数据经第二通信模块103、第一通信模块102反馈到测控模块101。
73.本实施方式中，刹车仿真模块104可根据飞机动力学模型和刹车控制算法，基于刹车控制信号计算理论刹车压力。例如可采用刹车过程中的飞机动力学模型和基于最优滑移率的刹车控制算法计算理论刹车压力以及计算相关数据。此处不做限定。其中，刹车控制信号用于指示刹车模式，如正常路况刹车模式、湿滑路况刹车模式、冰雪路况刹车模式。刹车模式是计算理论刹车压力所需的理论刹车压力，具体可以采用已有的计算模型带入当前刹车模式对应的参数计算得到。
74.下一状态的刹车过程状态数据可以已有的状态解算方法或模型解算得到，此处不做限定。
75.在一个可选实施方式中，刹车过程状态数据还包括滑移率、飞机速度和刹车温度中的至少一种。
76.在一个可选实施方式中，参见图5，刹车仿真模块基于刹车控制信号确定当前状态的理论刹车压力包括：
77.s501，刹车仿真模块基于刹车控制信号，确定刹车模式；
78.s502，根据刹车模式，确定当前状态的理论刹车压力。
79.本实施方式中，刹车控制信号用于指示刹车模式，可以知道的，刹车仿真模块在计算理论刹车压力，刹车模式对应涉及了计算中的参数，不同刹车模式对应存在相应的计算参数，使得最终计算的理论刹车压力与相应的刹车模式对应。
80.示例性的，可以获得刹车模式下摩擦力和滑移率的微分以摩擦力和滑移率的微分在预设区间为目标，确定理论刹车压力。预设区间可以根据需要设置，一般越小，精度越高。以通过压力控制阀或阀控制器控制压力使得摩擦力和滑移率的微分控制在设定工作区间内，从而实现飞机刹车最优滑移率的控制。
81.在不同的跑道条件下，跑道的最大摩擦系数和最佳滑移率是不相同的。大量的跑道摩擦力测试表明，跑道摩擦力的影响因素有很多，导致无法用一个线性的表达式来评估跑道的摩擦力，很难获得一个跑道摩擦的经验数据库。
82.而轮胎-跑道的结合系数随着滑移率的增大先迅速升高之后缓慢下降，这种滑移率曲线在不同跑道条件下的形状表明我们可以判断该摩擦是否接近最大摩擦。
83.通过摩擦力-滑移率的曲线斜率分析，曲线斜率》0表明摩擦随着滑移率的增加而增加，当曲线斜率＝0时，系统达到最佳工作点，这意味着可以实现最大的摩擦，当曲线斜率《0时，摩擦力随着滑移率的增加而减小。所以当我们判断工作在最佳状态，只需要将曲线斜率控制在接近0的部分，这时系统的工作点即为最佳，同时为了确保安全，应将目标点的位
置设置在最佳工作点的左侧，选择一个合理的工作区间。通过控制阀控制器调节刹车压力，使系统在此工作区间工作，达到最优化刹车的目的。
84.以上所述仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。