CN102645897A - 一种座舱操纵机构的仿真系统及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种座舱操纵机构的仿真系统及其仿真方法，属于工程仿真技术领域。其特征在于包括纵向操作仿真单元[1]、横向操作仿真单元[2]、航向操作仿真单元[3]、纵向指令信号仿真单元[4]、横向指令信号仿真单元[5]、航向指令信号仿真单元[6]、计算机系统总线[8]和接口适配器[9]，各操作仿真单元[1][2][3]与计算机系统总线[8]之间通过信息传输总线[10]进行信息的传输与交换，各指令信号仿真单元[4][5][6]与飞行控制系统[7]之间通过信号传输总线[11]进行信号的传输，各操作仿真单元[1][2][3]采用虚拟操作界面，通过运行在计算机上的应用软件来实现，各指令信号仿真单元[4][5][6]通过由计算机控制的接口板实现。本发明具有系统功能完整，结构合理、紧凑，工作可靠，使用方便，具有良好的可扩展性和剪裁性。

Description

一种座舱操纵机构的仿真系统及其仿真方法

所属技术领域

本发明涉及一种座舱操纵机构的仿真系统及其仿真方法，特别是涉及通过虚拟界面模拟飞行控制系统的座舱操纵机构的操作，以及通过由计算机控制的接口板或功能模块实现座舱操纵机构指令传感器功能，属于工程仿真技术领域。

背景技术

飞行控制系统在现代飞机设计过程中越来越重要，随着电传飞行控制技术和主动控制技术的应用，飞行控制系统已经达到了与飞机的总体、气动、结构和强度同步设计的地步，同时，飞行控制系统的安全性和可靠性对于飞机的安全更加重要，为了保证飞行控制系统的安全性和可靠性，在设计的基础上，另一个重要途径就是开展地面仿真试验，在地面仿真试验中如何对飞行控制系统进行全面、详细的验证成为飞行控制系统地面试验面临的难题。传统的验证试验中，需要研制专门用于试验的环境支持设施，尽量能模拟飞行控制系统在飞机上工作时所需的环境条件：如设计专门的试验台架用于支撑和安装飞行控制系统的各组成部件，并为各组成部件的工作提供必要的液压能源和电源，配置必要的控制和测试设备。

飞行控制系统的验证试验中，大部分验证项目与座舱操纵机构有关，在试验的验证中，需要使用装机的操纵机构完成对飞行控制系统的操作控制和状态调整。采用装机的操纵机构存在以下缺点：

(1)装机的操纵机构是在飞行控制系统设计完成后，才能生产提供，不能满足设计研发阶段试验、或者是初制样件阶段试验的需要；

(2)装机的操纵机构是对专门的飞行控制系统研制生产的，不具有通用性，在飞行控制系统其它部件状态发生变化后，需要进行适配性更改，甚至是重新加工、生产。

(3)装机的操纵机构成本高、周期长；

(4)装机的操纵机构依靠人工操作完成，验证测试过程效率低下，周期长。

目前，在飞机的设计研制中，大量地采用数字仿真技术，数字仿真已被证明是开发飞机行之有效的方法，它提供了更快、更高效地开发飞机的优势。为了保证飞机研制的周期，加快飞行控制系统试验进度，有必要在飞行控制系统的试验中更多地采用数字仿真技术；另一方面，飞行控制系统验证项目多，而且大量试验需要在初期设计阶段完成，这样就需要一个试验平台，满足边设计边试验的工作流程，以便到地面试验阶段使飞行控制系统达到更高成熟度。为尽量早点开展试验，这也要求使用数字仿真技术为核心的数字化试验技术逐步取代依赖于大量实物试验技术，缩短飞机研制周期，加快研制进度。

发明内容

本发明的目的是设计一种座舱操纵机构的仿真系统及其仿真方法，通过运行在计算机上的虚拟界面模拟飞行控制系统的操纵机构操作，以及通过由计算机控制的接口板或功能模块实现飞行控制系统的操纵机构指令传感器功能，实现对飞行控制系统操作控制和状态设置。

本发明的技术方案是：一种座舱操纵机构的仿真系统包括纵向操作仿真单元、横向操作仿真单元、航向操作仿真单元、纵向指令信号仿真单元、横向指令信号仿真单元、航向指令信号仿真单元、计算机系统总线和接口适配器，各操作仿真单元与计算机系统总线之间通过信息传输总线进行信息的传输与交换，各指令信号仿真单元与飞行控制系统之间通过信号传输总线进行信号的传输，各操作仿真单元采用虚拟操作界面，通过运行在计算机上的应用软件来实现，各指令信号仿真单元通过由计算机控制的接口板实现，各操作仿真单元接收用户的操作输入，根据用户的操作选择或参数设置，形成控制接口模块的命令及参数，并发送给接口模块，控制接口模块形成对飞行控制系统的指令信号，控制飞行控制系统的运行和工作。

纵向操作仿真单元、横向操作仿真单元、航向操作仿真单元分别采用虚拟操作界面，通过运行在计算机上的应用软件来实现，虚拟操作界面模拟座舱操纵机构的操作，各操作仿真单元操作界面提供了与真实操作部件具有相同或类似的外观形状和风格，以便于进行操作控制，即纵向操作仿真单元采用驾驶杆或驾驶柱的形式，横向操作仿真单元采用驾驶杆或驾驶盘的形式，航向操作仿真单元采用脚蹬的形式；

另一方面，对纵向操作仿真单元、横向操作仿真单元、航向操作仿真单元的虚拟操作界面，也提供了指针式或数字式的表头，通过改变纵向操作仿真单元指示表头的数字，仿真对驾驶杆或驾驶柱的前推或后拉，通过改变横向操作仿真单元指示表头的数字，仿真对驾驶杆的左压或右压，或者是仿真对驾驶盘的顺时针旋转或逆时针旋转，通过改变航向操作仿真单元指示表头的数字，仿真蹬踏左脚蹬向前，或者是右脚蹬向前，指示表头同时还实时指示对座舱操纵机构的操作参数。

纵向指令信号仿真单元、横向指令信号仿真单元、航向指令信号仿真单元采用可由计算机控制的接口模板，并配以接口适配器等硬件实现，各指令信号仿真单元模拟飞行控制系统的真实控制部件的功能，接受计算机的控制，实现对飞行控制系统的操作控制和状态设置；

指令信号仿真单元用于模拟座舱操纵机构的指令信号，常见的为使用RVDT传感器产生的位移指令信号，对于由RVDT传感器产生位移指令信号的仿真，模拟RVDT传感器的工作，一方面接收由飞行控制系统提供的交流激励信号，将输入的交流激励信号分成A相和B相信号，按照操作仿真单元所设置的参数，分别对交流激励信号进行幅值和相位的参数调整，生成与操作参数一致的A相和B相信号，输出到飞行控制系统。

本发明具有以下优点：

(1)一种座舱操纵机构的仿真系统及其仿真方法，模拟了机载的飞行控制系统操作控制和显示中信号或信息流的产生传输和运行过程，使用方便，功能完整。

(2)结构合理紧凑、工作可靠、采用高可靠性的接口模块，经过优化设计，模块化、标准化和系列化，能适应在严酷电磁与机械环境使用。

(3)良好可扩展性、可剪裁性和可复用性，各仿真单元采用组件模块化设计，可根据需要选配组件模块，实现系统的积木化组合。

(4)由于实现了通用化设计，在功能上相当于原有多个专用设备的功能，大大降低了设备成本。

(5)对用户来说，大大提高了试验测试效率，缩短了试验周期，大大减少了费用。

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

附图说明

图1为本发明一种座舱操纵机构的仿真系统结构示意图。

图2为本发明一种座舱操纵机构操作仿真一个实施例的示意图。

图3为本发明一种座舱操纵机构指令信号仿真一个实施例的组成原理图。

具体实施方式

一种座舱操纵机构的仿真系统包括纵向操作仿真单元[1]、横向操作仿真单元[2]、航向操作仿真单元[3]、纵向指令信号仿真单元[4]、横向指令信号仿真单元[5]、航向指令信号仿真单元[6]、计算机系统总线[8]和接口适配器[9]，各操作仿真单元[1][2][3]与计算机系统总线[8]之间通过信息传输总线[10]进行信息的传输与交换，各指令信号仿真单元[4][5][6]与飞行控制系统[7]之间通过信号传输总线[11]进行信号的传输，各操作仿真单元[1][2][3]采用虚拟操作界面，通过运行在计算机上的应用软件来实现，各指令信号仿真单元[4][5][6]通过由计算机控制的接口板实现，各操作仿真单元[1][2][3]接收用户的操作输入，根据用户的操作选择或参数设置，形成控制接口模块的命令及参数，并发送给接口模块，控制接口模块形成对飞行控制系统的指令信号，控制飞行控制系统的运行和工作。

图2为本发明一种座舱操纵机构操作仿真一个实施例的示意图。

纵向操作仿真单元[1]、横向操作仿真单元[2]、航向操作仿真单元[3]分别采用虚拟操作界面，通过运行在计算机上的应用软件来实现，虚拟操作界面模拟座舱操纵机构的操作，各操作仿真单元[1][2][3]操作界面提供了与真实操作部件具有相同或类似的外观形状和风格，以便于进行操作控制，即纵向操作仿真单元[1]采用驾驶杆或驾驶柱的形式，横向操作仿真单元[2]采用驾驶杆或驾驶盘的形式，航向操作仿真单元[3]采用脚蹬的形式；

另一方面，对纵向操作仿真单元[1]、横向操作仿真单元[2]、航向操作仿真单元[3]的虚拟操作界面，也提供了指针式或数字式的表头，通过改变纵向操作仿真单元[1]指示表头的数字，仿真对驾驶杆或驾驶柱的前推或后拉，通过改变横向操作仿真单元[2]指示表头的数字，仿真对驾驶杆的左压或右压，或者是仿真对驾驶盘的顺时针旋转或逆时针旋转，通过改变航向操作仿真单元[3]指示表头的数字，仿真蹬踏左脚蹬向前，或者是右脚蹬向前，指示表头同时还实时指示对座舱操纵机构的操作参数。

图3为本发明一种座舱操纵机构指令信号仿真一个实施例的组成原

纵向指令信号仿真单元[4]、横向指令信号仿真单元[5]、航向指令信号仿真单元[6]采用可由计算机控制的接口模板，并配以接口适配器等硬件实现，各指令信号仿真单元模拟飞行控制系统的真实控制部件的功能，接受计算机的控制，实现对飞行控制系统的操作控制和状态设置；

指令信号仿真单元[4][5][6]用于模拟座舱操纵机构的指令信号，指令信号仿真单元[4][5][6]由参数调节单元[301]和信号输出单元[302]组成，常见的为使用RVDT传感器产生的位移指令信号，对于由RVDT传感器产生位移指令信号的仿真，模拟RVDT传感器的工作，一方面接收由飞行控制系统提供的交流激励信号，将输入的交流激励信号分成A相和B相信号，按照操作仿真单元所设置的参数，分别对交流激励信号进行幅值和相位的参数调整，生成与操作参数一致的A相和B相信号，输出到飞行控制系统。

对于RVDT信号的仿真，可以采用目前市场供应的RVDT信号仿真接口模板，如ATENA公司提供的ATSIM-LVDT 2024接口模板，North Atlantic Industries Inc.公司提供的Model cPCI-75DL1 3U接口模板，Axiomatic Technologies Corporation公司提供的LVDTS-DR-02接口模块，United Electronic Industries Inc.公司提供的DNA/DNR-AI-254接口模块，或者也可以选择其它公司生产的其它型号的RVDT信号仿真接口模板，当然，也可以自行设计研制RVDT信号仿真接口模板。

对于自行设计研制RVDT信号仿真接口模板，下面分析RVDT传感器仿真的实现原理。

由RVDT原理可知，其工作时原线圈的正弦激励信号幅值固定不变，副线圈的两端输出的正弦信号的幅值随着铁芯位置的移动而变化，但是两个副线圈输出正弦信号的幅值之和固定不变。根据这个原理利用两路D/A转换器来模拟LVDT，因为D/A转换器的输出：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{K}{D}{V}_{\mathrm{ref}}$

V_ref代表D/A的参考电压，K代表当前输入D/A的数字量，D代表D/A能输入的最大数字量，如果是12位的D/A转换器则D＝4095。根据D/A转换器的这个特性，将原线圈的正弦激励信号作为D/A转换器的参考电压V_ref，D/A的输出V_ref作为副线圈的输出，通过改变D/A的输入数字量K，来改变D/A输出信号的幅值。并且保持两路D/A的输入数字量K的和等于D，从而实现模拟RVDT。

通常，为RVDT提供的激励信号幅值范围+10V～-10V，因此可以选择MAX532来模拟RVDT，MAX532为SPI串行接口的12位精度双路D/A输出芯片，而且MAX532在±15V供电情况下参考电压和输出电压可达±15V，因此满足RVDT的要求，RVDT的模拟可以通过软件控制其输出来模拟实现。

本发明的一种座舱操纵机构的仿真方法包括以下详细步骤：

(1)系统初始化，按照试验需要完成的任务，确定需要座舱操纵机构的初始状态；

(2)根据试验任务选择设定纵向操作仿真单元[1]的当前状态和纵向位移；

(3)根据纵向操作仿真单元[1]所给定的纵向位移，控制发送给纵向指令仿真单元[4]的控制命令，确定对纵向指令仿真单元[4]进行参数调整的数值，从而控制纵向指令仿真单元[4]输出A相和B相信号的大小；

(4)根据试验任务选择设定纵向操作仿真单元[1]的当前状态和纵向位移；

(5)根据横向操作仿真单元[1]所给定的纵向位移，控制发送给横向指令仿真单元[4]的控制命令，确定对横向指令仿真单元[4]进行参数调整的数值，从而控制横向指令仿真单元[4]输出A相和B相信号的大小；

(6)根据试验任务选择设定纵向操作仿真单元[1]的当前状态和纵向位移；

(7)根据航向操作仿真单元[1]所给定的纵向位移，控制发送给航向指令仿真单元[4]的控制命令，确定对航向指令仿真单元[4]进行参数调整的数值，从而控制航向指令仿真单元[4]输出A相和B相信号的大小；

(8)试验运行控制管理，按照任务和任务属性，开展飞行控制系统或者是飞行控制系统子系统及部件的试验；

(9)重新调整飞行控制系统状态，重复步骤(2)～步骤(8)，直到完成所有试验工作。

Claims (4)

1.一种座舱操纵机构的仿真系统，其特征在于该仿真系统包括纵向操作仿真单元[1]、横向操作仿真单元[2]、航向操作仿真单元[3]、纵向指令信号仿真单元[4]、横向指令信号仿真单元[5]、航向指令信号仿真单元[6]、计算机系统总线[8]和接口适配器[9]，各操作仿真单元[1][2][3]与计算机系统总线[8]之间通过信息传输总线[10]进行信息的传输与交换，各指令信号仿真单元[4][5][6]与飞行控制系统[7]之间通过信号传输总线[11]进行信号的传输，各操作仿真单元[1][2][3]采用虚拟操作界面，通过运行在计算机上的应用软件来实现，各指令信号仿真单元[4][5][6]通过由计算机控制的接口板实现，各操作仿真单元[1][2][3]接收用户的操作输入，根据用户的操作选择或参数设置，形成控制接口模块的命令及参数，并发送给接口模块，控制接口模块形成对飞行控制系统的指令信号，控制飞行控制系统的运行和工作。

2.根据权利要求1所述的一种座舱操纵机构的仿真系统及其仿真方法，其特征在于纵向操作仿真单元[1]、横向操作仿真单元[2]、航向操作仿真单元[3]分别采用虚拟操作界面，通过运行在计算机上的应用软件来实现，虚拟操作界面模拟座舱操纵机构的操作，各操作仿真单元[1][2][3]操作界面提供了与真实操作部件具有相同或类似的外观形状和风格，以便于进行操作控制，即纵向操作仿真单元[1]采用驾驶杆或驾驶柱的形式，横向操作仿真单元[2]采用驾驶杆或驾驶盘的形式，航向操作仿真单元[3]采用脚蹬的形式；

另一方面，对纵向操作仿真单元[1]、横向操作仿真单元[2]、航向操作仿真单元[3]的虚拟操作界面，也提供了指针式或数字式的表头，通过改变纵向操作仿真单元[1]指示表头的数字，仿真对驾驶杆或驾驶柱的前推或后拉，通过改变横向操作仿真单元[2]指示表头的数字，仿真对驾驶杆的左压或右压，或者是仿真对驾驶盘的顺时针旋转或逆时针旋转，通过改变航向操作仿真单元[3]指示表头的数字，仿真蹬踏左脚蹬向前，或者是右脚蹬向前，指示表头同时还实时指示对座舱操纵机构的操作参数。

3.根据权利要求1所述的一种座舱操纵机构的仿真系统及其仿真方法，其特征在于纵向指令信号仿真单元[4]、横向指令信号仿真单元[5]、航向指令信号仿真单元[6]采用可由计算机控制的接口模板，并配以接口适配器等硬件实现，各指令信号仿真单元模拟飞行控制系统的真实控制部件的功能，接受计算机的控制，实现对飞行控制系统的操作控制和状态设置；

指令信号仿真单元[4][5][6]用于模拟座舱操纵机构的指令信号，指令信号仿真单元[4][5][6]由参数调节单元[301]和信号输出单元[302]组成，常见的为使用RVDT传感器产生的位移指令信号，对于由RVDT传感器产生位移指令信号的仿真，模拟RVDT传感器的工作，一方面接收由飞行控制系统提供的交流激励信号，将输入的交流激励信号分成A相和B相信号，按照操作仿真单元所设置的参数，分别对交流激励信号进行幅值和相位的参数调整，生成与操作参数一致的A相和B相信号，输出到飞行控制系统。

4.一种座舱操纵机构仿真方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)系统初始化，按照试验需要完成的任务，确定需要座舱操纵机构的初始状态；

(2)根据试验任务选择设定纵向操作仿真单元[1]的当前状态和纵向位移；

(3)根据纵向操作仿真单元[1]所给定的纵向位移，控制发送给纵向指令仿真单元[4]的控制命令，确定对纵向指令仿真单元[4]进行参数调整的数值，从而控制纵向指令仿真单元[4]输出A相和B相信号的大小；

(4)根据试验任务选择设定纵向操作仿真单元[1]的当前状态和纵向位移；

(5)根据横向操作仿真单元[1]所给定的纵向位移，控制发送给横向指令仿真单元[4]的控制命令，确定对横向指令仿真单元[4]进行参数调整的数值，从而控制横向指令仿真单元[4]输出A相和B相信号的大小；

(6)根据试验任务选择设定纵向操作仿真单元[1]的当前状态和纵向位移；

(7)根据航向操作仿真单元[1]所给定的纵向位移，控制发送给航向指令仿真单元[4]的控制命令，确定对航向指令仿真单元[4]进行参数调整的数值，从而控制航向指令仿真单元[4]输出A相和B相信号的大小；

(8)试验运行控制管理，按照任务和任务属性，开展飞行控制系统或者是飞行控制系统子系统及部件的试验；

(9)重新调整飞行控制系统状态，重复步骤(2)～步骤(8)，直到完成所有试验工作。

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