CN104992587A - 一种模拟仿真系统 - Google Patents

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朱雨微
周鑫
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Abstract

本发明实施例公开了一种模拟仿真系统,涉及航空技术领域,能够以较低的成本和风险进行近地告警系统的飞行实验。本发明的方法包括:飞机动力学仿真系统与操纵机构相连,操纵机构至少包括:方向盘、脚蹬和油门杆;三维视景显示系统与飞机动力学仿真系统相连;告警计算机与飞机动力学仿真系统和三维视景显示系统相连,用于根据飞机状态信息和三维视景显示系统发出的外部飞行环境信息生成告警信息;仪表显示模块分别与告警计算机、飞机动力学仿真系统和三维视景显示系统相连。本发明适用于告警系统的模拟仿真。

Description

一种模拟仿真系统
技术领域
本发明涉及航空技术领域,尤其涉及一种模拟仿真系统。
背景技术
近地告警系统主要用于保证飞机与地面的距离,尤其是在恶劣气象、能见度低等情况下避免飞机与地面的相撞,是保障飞机安全性必不可少的子系统之一。
但是近地告警系统的研发以及后续升级,需要大量的飞行数据以及飞行记录,针对不同机种的近地告警系统,其所需的飞行数据以及飞行记录都不相同,需要进行大量的试飞实验才能得到较为准确的飞行数据和飞行记录,且因试飞环境多变、难以预测,因此飞机试飞的风险很大,试飞成本也很高。而近地告警系统若实验不充分,则很容易造成系统瑕疵从而引发飞行事故。因此近地告警系统的研发和维护成本以及实验风险很高。
发明内容
本发明的实施例提供一种模拟仿真系统,能够以较低的成本和风险进行近地告警系统的飞行实验。
为达到上述目的,本发明的实施例采用如下技术方案:
第一方面,本发明的实施例提供一种模拟仿真系统,包括:操纵机构(1)、飞机动力学仿真系统(2)、三维视景显示系统(3)、告警计算机(4)和仪表显示模块(5);
所述飞机动力学仿真系统(2)与所述操纵机构(1)相连,用于接收所述操纵机构(1)所发出的操作指令,所述操纵机构(1)至少包括:方向盘、脚蹬和油门杆;
所述三维视景显示系统(3)与所述飞机动力学仿真系统(2)相连,用于根据所述飞机动力学仿真系统(2)所发出的飞行状态参数显示三维视景图像,所述飞行状态参数至少包括:经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、滚转角、迎角和侧滑角;
所述告警计算机(4)与所述飞机动力学仿真系统(2)和所述三维视景显示系统(3)相连,用于根据所述飞机状态信息和所述三维视景显示系统(3)发出的外部飞行环境信息生成告警信息;
所述仪表显示模块(5)分别与所述告警计算机(4)、所述飞机动力学仿真系统(2)和所述三维视景显示系统(3)相连,用于显示所述飞机状态信息、所述告警信息和所述飞机动力学仿真系统(2)发出的飞行控制信息。
第二方面,本发明的实施例提供一种用于模拟仿真系统的方法,所述模拟仿真系统包括:操纵机构(1)、飞机动力学仿真系统(2)、三维视景显示系统(3)、告警计算机(4)和仪表显示模块(5);所述飞机动力学仿真系统(2)与所述操纵机构(1)相连,用于接收所述操纵机构(1)所发出的操作指令,所述操纵机构(1)至少包括:方向盘、脚蹬和油门杆;所述三维视景显示系统(3)与所述飞机动力学仿真系统(2)相连,用于根据所述飞机动力学仿真系统(2)所发出的飞行状态参数显示三维视景图像,所述飞行状态参数至少包括:经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、滚转角、迎角和侧滑角;所述告警计算机(4)与所述飞机动力学仿真系统(2)和所述三维视景显示系统(3)相连,用于根据所述飞机状态信息和所述三维视景显示系统(3)发出的外部飞行环境信息生成告警信息;所述仪表显示模块(5)分别与所述告警计算机(4)、所述飞机动力学仿真系统(2)和所述三维视景显示系统(3)相连,用于显示所述飞机状态信息、所述告警信息和所述飞机动力学仿真系统(2)发出的飞行控制信息;
所述告警计算机(4)根据所述飞机状态信息和所述外部飞行环境信息生成告警信息,包括:
所述告警计算机(4)根据所述飞机状态信息判断飞机所处状态,所述飞机所处状态包括:上升、下降和平飞状态;并获取与所确定的状态对应的告警模式和告警模式的优先级,再根据所确定的告警模式和告警模式的优先级生成所述告警信息。
本发明实施例提供的模拟仿真系统,能够根据操纵机构发出的操纵指令,通过飞机动力学仿真系统模拟出飞机的飞行情况,形成飞行状态参数,并通过告警计算机参照飞行状态参数和飞行环境信息,将告警信息向相连的仪表显示模块发送并显示,从而实现了通过地面的模拟仿真系统代替飞机进行试飞实验,降低了飞行实验的成本和风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的模拟仿真系统的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的模拟仿真系统工作过程的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种如图1所示的模拟仿真系统,包括:操纵机构(1)、飞机动力学仿真系统(2)、三维视景显示系统(3)、告警计算机(4)和仪表显示模块(5)。
其中:飞机动力学仿真系统(2)与操纵机构(1)相连,用于接收操纵机构(1)所发出的操作指令,操纵机构(1)至少包括:方向盘、脚蹬和油门杆。在本实施例的优选方案中,飞机动力学仿真系统(2)基于Simulink建立,并生成为经过优化的C代码,从而提高计算速度,减小处理延时。飞机动力学仿真系统(2),具体用于通过USB接口读取操纵机构(1)发出的操作指令,所述操作指令用于表示所述脚蹬对升降舵和副翼、所述方向盘对方向舵,以及所述油门杆对油门的控制,实现飞机六自由度实时仿真,并得到飞行状态参数。
三维视景显示系统(3)与飞机动力学仿真系统(2)相连,用于根据飞机动力学仿真系统(2)所发出的飞行状态参数显示三维视景图像,飞行状态参数至少包括:经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、滚转角、迎角和侧滑角。
告警计算机(4)与飞机动力学仿真系统(2)和三维视景显示系统(3)相连,用于根据飞机状态信息和三维视景显示系统(3)发出的外部飞行环境信息生成告警信息。
仪表显示模块(5)分别与告警计算机(4)、飞机动力学仿真系统(2)和三维视景显示系统(3)相连,用于显示飞机状态信息、告警信息和飞机动力学仿真系统(2)发出的飞行控制信息。
具体的,操纵机构(1)通过USB接口与飞机动力学仿真系统(2)中的PilotControl模块相连。飞机动力学仿真系统(2),具体用于通过USB接口读取操纵机构(1)发出的操作指令,操作指令用于表示脚蹬对升降舵和副翼、方向盘对方向舵,以及油门杆对油门的控制。
在本实施例中,仪表显示模块(5)具体是与告警计算机(4)连接的机械仪表、电子仪表、显示仪;或者是集成在告警计算机(4)上的虚拟仪表,例如:仪表显示模块(5)是采用Tilcon软件设计的虚拟仪表。进一步的,仪表显示模块(5)包括主飞行显示和导航显示两个部分,主飞行显示部分显示的参数至少包括:飞机的姿态、空速、马赫数、气压高度、气压基准、升降速度和无线电高度,导航显示部分显示的参数至少包括:航迹、前方地形、告警文字和声音。
在本实施例的可选方案中,操纵机构(1)、飞机动力学仿真系统(2)、三维视景显示系统(3)、告警计算机(4)和仪表显示模块(5)之间通过STP网线建立连接并组建为局域网。例如,通过STP网线将操纵机构(1)、飞机动力学仿真系统(2)、三维视景显示系统(3)、告警计算机(4)和仪表显示模块(5)与华为S5700-24TP-SI(AC)以太网交换机相连并组建为局域网,通过太网交换机实现模拟仿真系统中各个组成部分的数据交互。
其中,三维视景显示系统(3)包括至少三个显示器,每一个显示器与一台视景计算机相连,每一个显示器用于显示指定观察角度的景物。三维视景显示系统(3)具体可以通过FlightGear实现,飞行状态参数进行打包,通过UDP网络发送给FlightGear,实现三维视景显示,视景显示使用三块显示器显示机外的景物,三台视景计算机通过设定不同的视点位置、俯仰角偏移量、方向角偏移量、视角即可获得不同观察方式的景物。
具体的,本实施例中视景计算机、告警计算机(4)以及运行飞机动力学仿真系统(2)的计算机的硬件配置都为Intel Core i3的处理器,主频2.93GHz,2G内存,GTS450的显卡。若仪表显示模块(5)为计算机通过程序模拟的虚拟仪表,则告警计算机(4)和仪表显示模块(5)可以集成在同一台计算机上。
与显示器相连的视景计算机用于接收飞机动力学仿真系统(2)通过STP网线广播的UDP数据包,UDP数据包由飞行状态参数打包得到。
基于如图1所示的模拟仿真系统,本发明实施例还提供一种用于模拟仿真系统的方法,包括:
告警计算机(4)根据飞机状态信息和外部飞行环境信息生成告警信息,包括:
告警计算机(4)根据飞机状态信息判断飞机所处状态,飞机所处状态包括:上升、下降和平飞状态。并获取与所确定的状态对应的告警模式和告警模式的优先级,再根据所确定的告警模式和告警模式的优先级生成告警信息。
具体的,告警计算机(4)根据接收到的飞机状态信息判断飞机处于上升、下降和平飞状态中的哪种状态,再确定与该状态相对应的告警模式的优先级,最后根据告警模式下的算法进行计算,给出正确的告警信息。该设计避免了穷举每个告警模式的算法,提高了告警计算机(4)的处理速度,减少延时,从而使得模拟仿真系统的反映速度接近现实飞机的飞行。
在本实施例中,告警模式至少包括:
模式1(过大下降率报警):若无线电高度h<30ft或h>2450ft或h+572+0.6035*hd(高度变化率,ft/min)>0,则不在报警区域,不发出任何报警,
若:h+1620+1.1133*hd>0或h+400+0.4*hd>0,则处于外报警区域,发出“SINKRATE”报警。否则:处于内报警区域,发出告警信息“PULL UP”。
模式2(过大地形接近率报警):若V(空速)<220kn且h<=1650ft且h+1579-0.7895*CR(地形接近率,ft/min)<=0,且h-522-0.1968*CR<=0,
或V>310kn且h<=2450ft且h+1579-0.7895*CR<=0且h-522-0.1968*CR<=0,
或220<=V<=310kn且h<=1650+(V-220)*8.9且h+1579-0.7895*CR<=0且h-522-0.1968*CR<=0,
则均处于外报警区域,发出告警信息“TERRAIN”。告警信息“TERRAIN”持续1.6秒后,发出告警信息“PULL UP”。
模式3(起飞或复飞掉高太多报警):若30ft<h<1500ft且△hp(掉高)-5.4-0.092*h>=0,则处于报警区域,发出告警信息“DON'T SINK”。
模式4(不安全离地高度报警):若襟翼下放小于25单位,且起落架收起,且V<=190kn且30ft<h<500ft,则处于左边报警区域,发出告警信息“TOO LOWGEAR”,
若190kn<=V<=250kn且h<500+500*(V-190)/60或V>250kn且30ft<h<1000ft,则处于右边报警区域,发出告警信息“TOO LOW TERRAIN”。
模式5(偏离下滑道太多报警):若30ft<h<300ft且Ω>0.7°且h>293-204.1*Ω,则处于硬报警区域,发出告警信息“GLIDESLOPE”。
若30ft<h<1000ft且Ω>0.455°且h>243-204.1*Ω,则处于软报警区域,发出告警信息“GLIDESLOPE”。
模式6(无线电高度和决断高度的报告):若h降落至100ft时,则发出告警信息“ONEHUNDRED”,
若h降落至50ft时,则发出告警信息“FIFTY”,
若h降落至30ft时,则发出告警信息“THIRTY”。
模式7(低空风切变报警):若10ft<h<1500ft,且ud(迎风速度变化率,kn/s)/2.75+w(垂直风速,ft/min)/2250>1,则发出告警信息“Caution Wind Shear”,
若ud/2.75+w/2250<-1,则发出告警信息“Wind Shear,Wind Shear”。
其中,告警模式的优先级包括:按照优先级由高至地的顺序依次为:模式7的告警信息“Wind shear”、模式1的告警信息“Pull-Up”、模式2的告警信息“Pull-Up”、模式2的告警信息“Terrain”、模式4的告警信息“Too Low Terrain”、模式6的告警信息“Minimum,Minimum”、模式4的告警信息“Too Low Gear”、模式1的告警信息“Sink Rate”、模式3的告警信息“Don't Sink”、模式5的告警信息“GlideSlope”、模式6的告警信息“ONE HUNDRED”、模式7的告警信息“CautionWindshear”。
应用上述模式,本发明的模拟仿真系统,其主要工作过程可以如图2所示,包括:通过操纵手动操纵机构(1),产生主控制舵面和油门的操作指令;飞机动力学仿真系统(2)中的Pilot Control模块接收到指令信号后,飞机动力学仿真系统(2)中的开始仿真,并将飞行状态参数打包成UDP数据包,通过以太网线传输给三维视景显示系统(3),比如FlightGear,仪表显示模块(5)以及告警计算机(4);三维视景显示系统(3)显示飞机和机外场景,便于使用者观察飞机的运动状态;仪表显示模块(5)实时显示飞机状态参数,环境参数以及告警信息;告警计算机(4)根据飞机的状态信息和外部环境信息,判断飞机处于起飞、进近着陆和其它飞行状态中的哪种状态,再确定与该状态相对应的告警模式的优先级,最后通过告警模式下的算法进行计算,给出正确的告警信息。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于设备实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述得比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种模拟仿真系统,其特征在于,包括:操纵机构(1)、飞机动力学仿真系统(2)、三维视景显示系统(3)、告警计算机(4)和仪表显示模块(5);
所述飞机动力学仿真系统(2)与所述操纵机构(1)相连,用于接收所述操纵机构(1)所发出的操作指令,所述操纵机构(1)至少包括:方向盘、脚蹬和油门杆;
所述三维视景显示系统(3)与所述飞机动力学仿真系统(2)相连,用于根据所述飞机动力学仿真系统(2)所发出的飞行状态参数显示三维视景图像,所述飞行状态参数至少包括:经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、滚转角、迎角和侧滑角;
所述告警计算机(4)与所述飞机动力学仿真系统(2)和所述三维视景显示系统(3)相连,用于根据所述飞机状态信息和所述三维视景显示系统(3)发出的外部飞行环境信息生成告警信息;
所述仪表显示模块(5)分别与所述告警计算机(4)、所述飞机动力学仿真系统(2)和所述三维视景显示系统(3)相连,用于显示所述飞机状态信息、所述告警信息和所述飞机动力学仿真系统(2)发出的飞行控制信息。
2.根据权利要求1所述的模拟仿真系统,其特征在于,所述操纵机构(1)通过USB接口与所述飞机动力学仿真系统(2)中的Pilot Control模块相连;
飞机动力学仿真系统(2),具体用于通过所述USB接口读取操纵机构(1)发出的操作指令,所述操作指令用于表示所述脚蹬对升降舵和副翼、所述方向盘对方向舵,以及所述油门杆对油门的控制。
3.根据权利要求1所述的模拟仿真系统,其特征在于,所述仪表显示模块(5)包括主飞行显示和导航显示两个部分,所述主飞行显示部分显示的参数至少包括:飞机的姿态、空速、马赫数、气压高度、气压基准、升降速度和无线电高度,所述导航显示部分显示的参数至少包括:航迹、前方地形、告警文字和声音。
4.根据权利要求1所述的模拟仿真系统,其特征在于,所述操纵机构(1)、所述飞机动力学仿真系统(2)、所述三维视景显示系统(3)、所述告警计算机(4)和所述仪表显示模块(5)之间通过STP网线建立连接并组建为局域网。
5.根据权利要求4所述的模拟仿真系统,其特征在于,所述三维视景显示系统(3)包括至少三个显示器,每一个显示器与一台视景计算机相连,每一个显示器用于显示指定观察角度的景物;
与显示器相连的视景计算机用于接收所述飞机动力学仿真系统(2)通过所述STP网线广播的UDP数据包,所述UDP数据包由所述飞行状态参数打包得到。
6.一种用于模拟仿真系统的方法,其特征在于,所述模拟仿真系统包括:操纵机构(1)、飞机动力学仿真系统(2)、三维视景显示系统(3)、告警计算机(4)和仪表显示模块(5);所述飞机动力学仿真系统(2)与所述操纵机构(1)相连,用于接收所述操纵机构(1)所发出的操作指令,所述操纵机构(1)至少包括:方向盘、脚蹬和油门杆;所述三维视景显示系统(3)与所述飞机动力学仿真系统(2)相连,用于根据所述飞机动力学仿真系统(2)所发出的飞行状态参数显示三维视景图像,所述飞行状态参数至少包括:经度、纬度、高度、俯仰角、偏航角、滚转角、迎角和侧滑角;所述告警计算机(4)与所述飞机动力学仿真系统(2)和所述三维视景显示系统(3)相连,用于根据所述飞机状态信息和所述三维视景显示系统(3)发出的外部飞行环境信息生成告警信息;所述仪表显示模块(5)分别与所述告警计算机(4)、所述飞机动力学仿真系统(2)和所述三维视景显示系统(3)相连,用于显示所述飞机状态信息、所述告警信息和所述飞机动力学仿真系统(2)发出的飞行控制信息;
所述告警计算机(4)根据所述飞机状态信息和所述外部飞行环境信息生成告警信息,包括:
所述告警计算机(4)根据所述飞机状态信息判断飞机所处状态,所述飞机所处状态包括:上升、下降和平飞状态;并获取与所确定的状态对应的告警模式和告警模式的优先级,再根据所确定的告警模式和告警模式的优先级生成所述告警信息。
7.根据权利要求6所述的用于模拟仿真系统的方法,其特征在于,所述告警模式至少包括:
模式1:若无线电高度h<30ft或h>2450ft或h+572+0.6035*hd(高度变化率,ft/min)>0,则不在报警区域,不发出任何报警,
若:h+1620+1.1133*hd>0或h+400+0.4*hd>0,则处于外报警区域,发出“SINKRATE”报警;否则:处于内报警区域,发出告警信息“PULL UP”;
模式2:若V(空速)<220kn且h<=1650ft且h+1579-0.7895*CR(地形接近率,ft/min)<=0,且h-522-0.1968*CR<=0,
或V>310kn且h<=2450ft且h+1579-0.7895*CR<=0且h-522-0.1968*CR<=0,
或220<=V<=310kn且h<=1650+(V-220)*8.9且h+1579-0.7895*CR<=0且h-522-0.1968*CR<=0,
则均处于所述外报警区域,发出告警信息“TERRAIN”;告警信息“TERRAIN”持续1.6秒后,发出告警信息“PULL UP”;
模式3:若30ft<h<1500ft且△hp(掉高)-5.4-0.092*h>=0,则处于报警区域,发出告警信息“DON'T SINK”;
模式4:若襟翼下放小于25单位,且起落架收起,且V<=190kn且30ft<h<500ft,则处于左边报警区域,发出告警信息“TOO LOW GEAR”,
若190kn<=V<=250kn且h<500+500*(V-190)/60或V>250kn且30ft<h<1000ft,则处于右边报警区域,发出告警信息“TOO LOW TERRAIN”;
模式5:若30ft<h<300ft且Ω>0.7°且h>293-204.1*Ω,则处于硬报警区域,发出告警信息“GLIDESLOPE”;
若30ft<h<1000ft且Ω>0.455°且h>243-204.1*Ω,则处于软报警区域,发出告警信息“GLIDESLOPE”;
模式6:若h降落至100ft时,则发出告警信息“ONEHUNDRED”,
若h降落至50ft时,则发出告警信息“FIFTY”,
若h降落至30ft时,则发出告警信息“THIRTY”;
模式7:若10ft<h<1500ft,且ud(迎风速度变化率,kn/s)/2.75+w(垂直风速,ft/min)/2250>1,则发出告警信息“Caution Wind Shear”,
若ud/2.75+w/2250<-1,则发出告警信息“Wind Shear,Wind Shear”。
8.根据权利要求7所述的用于模拟仿真系统的方法,所述告警模式的优先级包括:按照优先级由高至地的顺序依次为:模式7的告警信息“Wind shear”、模式1的告警信息“Pull-Up”、模式2的告警信息“Pull-Up”、模式2的告警信息“Terrain”、模式4的告警信息“Too Low Terrain”、模式6的告警信息“Minimum,Minimum”、模式4的告警信息“Too Low Gear”、模式1的告警信息“Sink Rate”、模式3的告警信息“Don't Sink”、模式5的告警信息“GlideSlope”、模式6的告警信息“ONE HUNDRED”、模式7的告警信息“Caution Windshear”。
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