CN102968059A - 飞机起落架模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机起落架模拟器，包括：信号模拟单元，其接收起落架操纵指令；处理单元，其耦接至所述信号模拟单元并将起落架操纵指令作为其运行的飞机起落架实时模型的输入并输出至少一个状态参数至信号模拟单元和显示单元，其包括耦接至信号模拟单元的至少一个仪表，至少一个仪表相应地显示至少一个状态参数，其中，飞机起落架实时模型包括液压机械系统模型和控制系统模型。基于该飞机起落架模拟器，不需具备真实物理试验的试验件，即可完成起落架收放系统的各种参数测试与分析。此外，在试验室环境下代替部分真实部件进行测试试验可减少试验次数和强度，节省测试费用，保障高危试验中的人员安全。

Description

飞机起落架模拟器

技术领域

本发明涉及一种飞机起落架模拟器，特别地，涉及一种将飞机起落架的机械系统部分、控制系统部分和液压传动部分统一建模的、实现硬件在回路的半物理且实时的飞机起落架模拟器。

背景技术

飞机起落架收放系统是飞机的重要执行部件，用于在飞机降落时实现正常着落以及在地面上的飞机承重支撑。该装置的可靠性要求非常高，并且涉及到机械、控制和液压等多个领域。

目前在飞机起落架收放系统设计过程中主要采用仿真软件数字离线仿真计算，一方面，在此类模拟仿真中，只能实现对仿真开始时的静态输入的仿真，而无法在仿真过程中动态地加入飞行员和控制硬件的在环操作指令，也就无法仿真具有真实输入时起落架的性能；另一方面，这些仿真中大多都为离线仿真，不能实现实时测试，从而造成模拟仿真计算结果缺乏验证手段和故障分析能力。

此外，当前的起落架收放系统的仿真分析工作，主要从单个技术领域着手，例如通过三维动力学软件分析起落架的动力学机械特性或者通过一维液压软件分析其作为液压系统时的负载特性。但由于起落架收放系统是一种涉及“机-电-液”耦合的系统，难以从某个单方面的技术领域仿真分析其整体性能。

发明内容

鉴于对以上背景技术的理解，本发明的目的，在于提供一种飞机起落架模拟器，其能够通过实时仿真和硬件在回路的方式，对飞机起落架收放系统的控制逻辑策略、动力学的性能以及液压系统的性能进行综合全面有效的仿真、测试和分析。

为达到上述目的，本发明采用软硬件结合的方式实现飞机起落架收放系统实时仿真计算分析。本发明提供了一种飞机起落架模拟器，包括信号模拟单元，其接收起落架操纵指令；处理单元，其耦接至所述信号模拟单元并将所述起落架操纵指令作为其运行的飞机起落架实时模型的输入并输出至少一个状态参数至所述信号模拟单元；和显示单元，其包括耦接至所述信号模拟单元的至少一个仪表，所述至少一个仪表相应地显示所述至少一个状态参数，其中，所述飞机起落架实时模型包括液压机械系统模型和控制系统模型。

在一个实施例中，所述处理单元中配置有实时操作系统。以这样的方式，该具有实时操作系统的处理单元便能运行飞机起落架实时模型。

在一个实施例中，所述处理单元所运行的所述飞机起落架实时模型采用定步长计算。以这样的方式，使得该飞机起落架模拟器相对于传统的飞机起落架模拟器，更具有实时功能，使得仿真结果更接近实际。

在一个实施例中，所述处理单元还包括数据接口单元，其在所述液压机械模型和所述控制系统模型之间传递信号。该数据接口单元例如能够是数采板卡，其提供了监控和调整在所述液压机械模型和所述控制系统模型之间传递的信号的可能。

在一个实施例中，所述处理单元还包括耦接至所述数据接口单元的的故障模拟单元。借助于该故障模拟单元，能够向飞机起落架实时模型注入各种故障模式，从而使得该飞机起落架模拟器能够实现故障模式仿真模拟。

在一个实施例中，所述飞机起落架模拟器还包括耦接至所述处理单元的交互单元。借助于该交互单元，能够实时监控飞机起落架实时模型中的至少一个状态参数并能控制飞机起落架模拟器的模拟过程。

在一个实施例中，所述交互单元包括存储单元，其存储所述至少一个状态参数的值。以这样的方式，飞机起落架模拟器便能存储飞机起落架实时模型中的至少一个状态参数，为此后的离线分析做好准备。

在一个实施例中，所述飞机起落架模拟器还包括耦接至所述信号模拟单元的告警单元，其在预定条件满足时发出告警信号。

本发明与现有技术相比具有以下明显优点：

首先，本发明基于能描述“机-电-液”耦合物理系统的统一建模而形成的飞机起落架实时模型，配合信号模拟单元和诸如仪表等的显示单元，形成半物理实时仿真系统，不需具备真实物理试验的试验件，即可完成起落架收放系统的各种参数测试与分析；基于此系统，能够高效地完成建模、仿真及分析，评估系统功能、性能是否达到设计指标，并给出优化方案；大大缩短设计研制周期，及时发现设计缺陷提高设计质量；在试验室环境下代替部分真实部件进行测试试验可减少试验次数和强度，节省测试费用，保障高危试验中的人员安全。

此外，相较于一般的离线仿真只能在仿真前设置好流程步骤，仿真开始后无法实时监测状态参数的实时变化也无法输入控制指令的情况，具有飞机起落架实时模型的飞机起落架模拟器，能够实现硬件在回路的在线控制和实时监视功能。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了根据本发明的飞机起落架模拟器的结构示意图；以及

图2示出了根据本发明的飞机起落架模拟器中所模拟的状态参数之一起落架收放转角相对于时间的曲线图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的飞机起落架模拟器的结构示意图。由图中可以看出，本发明的飞机起落架模拟器100包括以下几个部分：

-交互单元110；

-信号模拟单元150，其接收起落架操纵指令；

-处理单元120，其耦接至信号模拟单元150并将起落架操纵指令作为其运行的飞机起落架实时模型的输入并输出至少一个状态参数至信号模拟单元150，其中，飞机起落架实时模型包括液压机械系统模型121和控制系统模型122；

一数据接口单元130，其用于在液压机械系统模型121和控制系统模型122之间传递信号。该数据接口单元例如能够是数采板卡，其提供了监控和调整在液压机械模型121和控制系统模型122之间传递的信号的可能；

-故障模拟单元140，借助于该故障模拟单元140，能够向飞机起落架实时模型注入各种故障模式，从而使得该飞机起落架模拟器能够实现故障模式仿真模拟；

-显示单元160，其包括耦接至信号模拟单元150的至少一个仪表，所述至少一个仪表相应地显示至少一个状态参数。

本领域的技术人员应当理解，该装置中的交互单元110、数据接口单元130和故障模拟单元140并非必须的，为了实现一般的飞机起落架模拟器功能，仅需信号模拟单元150、处理单元120和显示单元160即可。

在图1所示出的飞机起落架模拟器中，首先，通过操纵由信号模拟单元控制虚拟仪器的方式所产生的虚拟的或者为真实机械机构的起落架收放手柄，将收上或放下起落架的起落架操纵指令信号通过数据接口单元发送给例如能够是实时仿真计算机的处理单元。此处，本领域的专业人员应当理解，该数据接口单元并非必须的，液压机械模型121和控制系统模型122之间可以直接通过诸如数据线等直接通信，而且，信号模拟单元所传输的起落架操纵指令也能够不通过数据接口单元而直接传输至处理单元120。随后，处理单元120在接收到由信号模拟单元150发送来的起落架操纵指令后便将此指令加入至液压机械模型121和控制系统模型122进行仿真。

此处，优选地，该处理单元120配置有实时操作系统，而液压系统模型121和控制系统模型122也均为实时程序，而实时程序所要求的该处理单元120的计算能力非常高，如此一来，更优选地，该处理单元120由两台实时仿真计算机来实现，其中一台用于起落架收放系统的液压系统一维回路数学模型和三维机械数学模型的实时仿真运算，另一台用于起落架系统控制器(ECU)代码的实时仿真运算。这样便能保证该处理单元120的计算能力能够满足其中运行的实时模型的需求。而运行导入的飞机起落架实时模型后，经数据接口单元连接，可由外部实时输入控制信号，例如由信号模拟单元150产生的信号，对收放系统进行在线逻辑控制，收放系统的状态参数上传到交互单元110，然后再以动画和曲线的形式显示仿真过程。

而该处理单元120中所运行的飞机起落架实时模型是通过如下步骤得到的，即：该飞机起落架实时模型包括起落架系统机械、液压、控制等多领域并且能够支持耦合仿真分析，所有模型可利用Matlab/Simulink的RTW模块实现自动生成目标代码，编译成可执行程序。更具体地，以计算分析起落架收放系统正常收上放下为例，主要分为以下几个步骤实现实时仿真分析：

首先，需要完成飞机起落架收放系统的系统建模。在Mworks软件平台上搭建起落架系统的元件模型，进而封装成含有外部接口的系统级模型并归入模型库，以备修改和调用。模型库主要由控制、液压和机械3个子库组成，分别概述如下：

控制库——信号转换、算法模型库，提供如：起落架控制操作的机械信号模拟、信号转换(如机械信号到电信号)、信号处理与控制器等。

液压库——液压起落架系统液压模型库，提供如：起落架液压回路元件、作动筒、油箱、整体液压回路等。

机械子库——机械系统子模型元件，提供如接近开关传感器、锁、整体机械动力学模型。

其次，在完成了系统模型的建立之后，需要生成实时仿真计算机可以执行的可执行代码。Mworks软件支持将模型转化为Matlab/Simulink中的S-Function表达形式的C代码。在此基础上，利用Matlab/Simulink的RTW框架，自定义目标语言编译器文件(.tlc)和模板联编文件(.tmf)，实现VxWorks快速原型目标代码的自动生成。RTW自动程序创建过程能在不同主机环境下生成用于实时应用的程序。该创建过程使用高级语言编译器中的联编实用程序，来控制所生成源代码的编译和链接过程。

该创建过程包含如下4个步骤：

1)分析模型和对模型描述文件进行编译。

2)由目标语言编译器从模型中生成代码。

3)程序联编文件(makefile)的生成。

4)在自定义的程序创建文件的控制下，联编实用程序生成可执行程序。

再接下来，需要将上一步中生成的飞机起落架实时模型的可执行程序下载到实时仿真目标机，即图1中所示出的处理单元120中。

在程序下载完成之后便可以进行实时仿真了，即实时运行该飞机起落架实时模型。实时仿真计算机内置实时操作系统Vxworks，以设定的固定步长进行仿真计算工作，在周期内收集数采板卡的电信号和读取在线控制指令，作为实时运算的输入条件，计算一个计算周期内的数据，并将数据通过数采板卡和总线发给另一台实时仿真计算机或综合管理系统，然后等待知道下一次计算时间，再次读数据，计算，输出，如此反复循环。

实时仿真计算机根据控制指令运行模型程序，通过总线和数采板卡发出：三维机械部分的运动状态信息如收/放角速度、收/放时间、角位移等；一维液压回路部分的状态信息如压力、流量、作动筒行程等；控制系统部分的驱动指令、系统状态信息、故障信息等。

信号模拟单元150接收并转发从仿真目标机接收到的信号给诸如仪表的显示单元，也可以通过虚拟仪表的方式动态显示起落架收放系统的状态参数如起落架液压选择阀的流量、起落架上/下位锁的状态、舱门接近传感器的状态等等。

交互单元110负责仿真工程管理、实时仿真计算机的管理、数据通讯，具有包括仿真工程管理、仿真控制、参数设置、仿真监视、仿真数据的存储和离线分析等功能模块。该交互单元能够是一台计算机，在该计算机上能够实现实时模型的建立及代码生成等步骤，而且在程序运行过程中能够监视仿真过程的进行等等。

诸如数采板卡的数据接口单元130将实时仿真计算机执行仿真计算过程中的数据状态信号等互相传递，代替起落架收放系统中的电信号如传感器信号、开关量信号、模拟量信号；而诸如仪表的显示单元160实现仿真飞机驾驶舱仪表起落架收放相关信息的主要功能，显示的内容与真实仪表设备一致；信号模拟单元150通过真实硬件或虚拟仪器方式提供起落架收放系统所需的所有外部条件信号；故障模拟单元140实现各个信号通道的断路、接地、接高、短路、电阻可调、电感可调等故障模式的再现。用以测试系统在以上故障出现时的运行状态，以及抗干扰能力；数据接口设备包括设计完善的接口连接器以及接线面板，可以快速实现设备间电缆的连接、转接、改接，以及信号检测、标定等功能。优选地，该飞机起落架模拟器100还包括告警单元，其在预定条件满足时发出告警信号。

由以上描述可知，起落架收放系统的实时半物理仿真流程为：控制系统、液压系统、机械系统通过MWorks软件建立数学模型，作为数字仿真系统进行全数字仿真保证模型的正确性，通过代码生成模块生成目标源代码。目标源代码由交互单元110下载到仿真目标机即处理单元120中进行实时的半物理仿真。交互单元110对整个半物理仿真过程进行统一管理，处理单元120通过数据接口单元130与诸如信号模拟单元150和故障模拟单元140等的起落架收放系统实物交互，实现对起落架收放系统逻辑控制单元等硬件的功能验证，以及实现部分性能测试。在仿真过程中，信号模拟单元150为处理单元120以及显示单元160提供模拟航电信号等外部条件信号。同时，显示单元160参照真实座舱仪表面板以可视化方式显示起落架收放系统相关的重要数据和状态信息。故障模拟单元140可以模拟产生控制系统与液压/机械系统之间的信号连接的物理故障，以分析控制系统在故障产生情况下的故障符合性与容错能力。

在上述仿真流程中，MWorks软件编译模块将描述搭建起落架收放系统的数学模型由Modelica语言代码编译成用于求解的C代码；求解模块根基编译出的模型C代码，以及相关的运算代码，生成可执行文件，供实时仿真计算机调用。

实时仿真计算机的实时运算采用定步长计算，按照设定的固定计算周期，在周期内收集数采板卡的电信号和读取在线控制指令，作为实时运算的输入条件，计算一个计算周期内的数据，并将数据通过数采板卡和总线发给另一台实时仿真计算机或综合管理系统，然后等待知道下一次计算时间，再次读数据，计算，输出，如此反复循环。

图2示出了根据本发明的飞机起落架模拟器中的模拟参数之一起落架收放转角相对于时间的曲线图。在本发明的一个优选实施例中，交互单元中包含有存储单元。在飞机起落架模拟器的实时仿真工程结束后，该存储单元储存当前试验的所有试验数据，以备离线的曲线分析和后处理，生成数据曲线对系统性能和功能进行详细分析。图2为起落架正常收上时的起落架转动角度随时间变化的关系。由该图可知，该飞机起落架模拟器的仿真结果是与实际的飞机起落架的物理特征相符的，即借助于该飞机起落架模拟器能够精确地仿真模拟真实的飞机起落架。

本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；不定冠词“一个”不排除多个；术语“第一”、  “第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。本专利覆盖在字面上或在等同原则下落入所附权利要求的范围的所有方法、装置和产品。

Claims (8)

1.一种飞机起落架模拟器，其包括：

-信号模拟单元，其接收起落架操纵指令；

-处理单元，其耦接至所述信号模拟单元并将所述起落架操纵指令作为其运行的飞机起落架实时模型的输入并输出至少一个状态参数至所述信号模拟单元；

-显示单元，其包括耦接至所述信号模拟单元的至少一个仪表，所述至少一个仪表相应地显示所述至少一个状态参数，

其中，所述飞机起落架实时模型包括液压机械系统模型和控制系统模型。

2.根据权利要求1所述的飞机起落架模拟器，其特征在于，所述处理单元中配置有实时操作系统。

3.根据权利要求1所述的飞机起落架模拟器，其特征在于，所述处理单元所运行的所述飞机起落架实时模型采用定步长计算。

4.根据权利要求1所述的飞机起落架模拟器，其特征在于，所述处理单元还包括数据接口单元，其在所述液压机械模型和所述控制系统模型之间传递信号。

5.根据权利要求4所述的飞机起落架模拟器，其特征在于，所述处理单元还包括耦接至所述数据接口单元的故障模拟单元。

6.根据权利要求1所述的飞机起落架模拟器，其特征在于，还包括耦接至所述处理单元的交互单元。

7.根据权利要求6所述的飞机起落架模拟器，其特征在于，所述交互单元包括存储单元，其存储所述至少一个状态参数的值。

8.根据权利要求1所述的飞机起落架模拟器，其特征在于，还包括耦接至所述信号模拟单元的告警单元，其在预定条件满足时发出告警信号。

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