CN107357175A - 一种飞机机头物理样机演示验证平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机机头物理样机演示验证平台，属于飞行控制技术领域。所述平台包括座舱结构(1)、操纵机构(2)、综合控制单元(3)、飞行仿真单元(4)、仪表仿真单元(5)、视景仿真单元(6)以及声音仿真单元(7)。本发明针对飞机飞行控制系统设计与试验验证需求，将飞机机头物理样机融合于数学仿真和虚拟现实技术中，扩大了机头物理样机的使用范围，减少了平台建设的周期和成本。本发明可作为工程模拟器的前期替代，不仅具有逼真的飞行模拟演示功能，满足座舱人机工效研究，便于飞行控制系统控制律设计与飞行品质评估，而且对飞机总体、结构、航电等专业的设计和评价具有一定的指导意义。

Description

一种飞机机头物理样机演示验证平台

技术领域

本发明属飞行控制技术领域，具体涉及一种飞机机头物理样机演示验证平台。

背景技术

工程模拟器试验作为飞行控制系统设计中的一个重要环节，主要对飞行控制系控制律与飞行品质进行评估。工程模拟器试验需要借助于工程模拟器、飞行员和飞机设计人员进行，试验内容较多，历时较长，因此，在飞机研制初期会同步启动工程模拟器的研制。但实际情况是：飞机设计过程中，飞机机头物理样机出现较早，它包括了飞机的几何外形、物理特性、操纵机构和联接关系等，而工程模拟器的研制进度要滞后于飞机。

发明内容

本发明针对飞机结构设计没有定型、飞机座舱布局仍然需要进行大的修改、工程模拟器无法及时到位等情况，利用现有飞机机头物理样机中的座舱结构和操纵机构等部件，增加舱外视景以及最基本的综合控制单元、飞行仿真单元和声音仿真单元，以构建开放式的综合演示验证平台。该平台可作为工程模拟器的前期替代，便于飞行控制系统初步开发和理论设计验证。同时，能够对飞行控制系统的操纵形式、基本功能和飞行品质进行全方位评价，给出控制律设计的改进意见或建议，从而满足科研演示和飞机设计的需要。

本发明飞机机头物理样机演示验证平台，主要包括:

座舱结构，采用飞机机头物理样机前半部分框段结构件；

操纵机构，采用飞机机头物理样件原有结构并加装传感器；

综合控制单元，用于提供演示验证平台的飞行调度、管理与控制；

飞行仿真单元，用于提供飞机的飞行过程仿真，通过接收综合控制单元的初始化信息以及操纵机构的飞机操纵信息，经过实时解算后得到飞机的飞行状态信息，然后发送给仪表仿真单元、视景仿真单元以及声音仿真单元；

仪表仿真单元，采用虚拟仪表方式实现，通过接收飞行仿真单元解算出的飞行状态信息，控制相应的仪表画面显示；

视景仿真单元，接收飞行仿真单元解算出的飞行状态信息，控制相应的场景画面显示；以及，

声音仿真单元，通过接收飞行仿真单元解算出的飞行状态信息，调用相应的声音素材，驱动声卡，实现声音模拟；

其中，各仿真单元之间通过以太网方式实现数据传输与通信。

优选的是，所述操纵机构至少包括驾驶杆、驾驶盘、脚蹬、刹车机构以及油门机构。

优选的是，所述驾驶杆、驾驶盘以及脚蹬加装位移传感器，并增加传感器的有效行程；所述刹车机构加装位移传感器和弹簧装置，油门机构加装位移传感器。

优选的是，综合控制单元所提供的演示验证平台的飞行调度、管理与控制包括飞机初始状态及参数的设置、飞行环境的设置、系统运行过程的控制以及飞行参数的实时显示控制。

优选的是，飞行仿真单元提供的飞机飞行过程仿真包含飞机在滑行、起飞、巡航、进场和着陆等典型过程的全包线范围内的飞行仿真。

优选的是，所述视景仿真单元提供的场角为水平视场角220度，垂直视场角50度。

优选的是，所述视景仿真单元采用五通道柱幕方式实现，包括视景计算机、投影器以及柱幕组件。

优选的是，所述声音仿真单元包含声音仿真机、功放、音箱和耳机。

优选的是，通过接收飞行仿真单元解算出的飞行状态信息，调用相应的声音素材，驱动声卡，再经过功放、音箱和耳机实现逼真的声音模拟。

本发明在飞机机头物理样机基础上进行了信息化改造，增加了飞行仿真模型、人机交互和视景显示等内容，所以在功能上有了较大突破，最大程度地发挥了飞机机头物理样机的潜能。本发明可作为工程模拟器的前期替代，不仅具有逼真的飞行模拟演示功能，满足飞机设计初期飞行控制系统设计与试验验证需求，进行型号研制中一些前期的理论性研究，而且能够为其他型号的开发提供选型和预研支撑，为飞机系统设计积累经验、节约时间和成本。

附图说明

图1为按照本发明飞机机头物理样机演示验证平台的一优选实施例的平台架构示意图。

其中，1－座舱结构、2－操纵机构、3－综合控制单元、4－飞行仿真单元、5－仪表仿真单元、6－视景仿真单元、7－声音仿真单元。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明针对飞机飞行控制系统设计与试验验证需求，将飞机机头物理样机融合于数学仿真和虚拟现实技术中，扩大了飞机机头物理样机的使用范围，减少了平台建设的周期和成本。本发明可作为工程模拟器的前期替代，不仅具有逼真的飞行模拟演示功能，满足座舱人机工效研究，便于飞行控制系统控制律设计与飞行品质评估，而且对飞机总体、结构、航电等专业的设计和评价具有一定的指导意义。

本发明针对飞行控制系统设计与试验验证需求，充分利用飞机机头物理样机中的座舱结构以及操纵机构等部件，构建一个开放式的综合演示验证平台，如图1所示，主要组成包括：座舱结构1、操纵机构2、综合控制单元3、飞行仿真单元4、仪表仿真单元5、视景仿真单元6、声音仿真单元7，各仿真单元之间通过以太网方式实现数据传输与通信。

座舱结构1采用飞机机头物理样机前半部分框段结构件，用于提供飞机座舱操作环境。座舱结构的框段选择需结合飞行员的操作与试验需求，中央操纵台、左右操纵台、主仪表板和顶部控制板的改装需遵循飞机机头物理样机现有座舱布局进行设计，所有部件改装需满足基本飞行驾驶操作要求。

操纵机构2主要包括驾驶杆、驾驶盘、脚蹬以及油门等部件，这些部件均采用飞机机头物理样件原有结构并加以改装，用于提供飞机的操纵过程控制。操纵机构的改装不得影响飞机机头物理样机原有机构的功能和连接关系，驾驶杆、驾驶盘、脚蹬、油门等操纵机构加装位移传感器，并保证传感器的有效行程。原机构具有回中弹簧，不需要加装操纵负荷装置。刹车机构加装位移传感器和弹簧装置。

综合控制单元3用于提供演示验证平台的飞行调度、管理与控制，主要包括：飞机初始状态和参数的设置、飞行环境的设置、系统运行过程的控制、飞行参数的实时显示控制。

飞行仿真单元4用于提供飞机的飞行过程仿真，通过接收综合控制单元3的初始化信息以及操纵机构2的飞机操纵信息，经过实时解算后得到飞机的飞行状态信息，然后再通过以太网方式将飞机的飞行状态信息分别发送给仪表仿真单元5、视景仿真单元6以及声音仿真单元7。

仪表仿真单元5用于提供飞机的座舱仪表显示与控制，采用虚拟仪表方式实现，通过接收飞行仿真单元4解算出的飞行状态信息，控制相应的仪表画面显示。

视景仿真单元6用于提供飞机座舱外的景象显示，水平视场角220度，垂直视场角50度。视景仿真单元采用五通道柱幕方式实现，包括视景计算机、投影器和柱幕等组件，通过接收飞行仿真单元4解算出的飞行状态信息，控制相应的场景画面显示。

声音仿真单元7用于提供飞行过程的各种环境音响，主要包含声音仿真机、功放、音箱和耳机。通过接收飞行仿真单元4解算出的飞行状态信息，调用相应的声音素材，驱动声卡，再经过功放、音箱和耳机实现逼真的声音模拟。

飞行员在飞机座舱内操纵驾驶杆、脚蹬、油门等部件，观察座舱内的飞行仪表指示，感受手脚因操纵飞机而产生的力感、座舱外产生的视景以及飞行时的环境音响，来评定飞机的飞行性能和飞行品质，对飞行控制系统控制律的设计提出修改意见。飞机设计人员据此优化调整飞行操纵、仪表显示、动力装置等参数，经过多次迭代后得到最佳分配效果，实现系统最优。

本发明的运行方式由综合控制单元3进行控制，主要包括以下步骤：

步骤一、启动演示验证平台各仿真单元节点运行程序。

步骤二、通过综合控制单元3设置初始化参数，包括：飞行任务、飞机的初始位置、初始状态、飞行环境参数(地形、机场位置、天气类型、时间、能见度、跑道情况等)；待初始条件确认后，将这些初始化参数通过以太网方式分别发送给飞行仿真单元4、仪表仿真单元5、视景仿真单元6以及声音仿真单元7；各仿真单元根据接收到的初始化参数分别完成各仿真单元节点的初始化设置。

步骤三、各仿真单元节点向综合控制单元3发送“准备好”信号，综合控制管理单元3)接收到各仿真单元“准备好”信号后发出“开始”指令，各仿真单元接收到“开始”指令后，系统进入运行状态。

步骤四、演示验证平台的解算周期由飞行仿真单元4控制，帧周期为16.7ms；操纵机构2采用飞机机头物理操纵机构部件，给飞行员提供操纵飞机的过程控制；仪表仿真单元5、视景仿真单元6、声音仿真单元7分别由计算机控制，响应飞机各种飞行状态，给飞行员提供座舱显示画面、舱外景象、外部环境音响等人体感觉，实现逼真的模拟。

步骤五、通过综合控制单元3可随时控制演示验证平台的运行，如：停止、冻结、复位等，还可设置故障和特殊情况模拟。

步骤六、实验完毕后，关闭各仿真单元节点运行程序。

本发明充分利用飞机机头物理样机现有设备，通过降低高亮度投影器的亮度，有效解决座舱内外遮光造成的亮度差问题。不仅缩短了研制周期，减少了开发成本，提高了飞行控制系统控制律设计与试验验证的工作效率，而且大大增强了仿真逼真度，降低了因飞行仿真环境逼真度不够而导致的输入误差和飞行员反应延迟这一缺陷，确保了飞行控制系统研制进度。其中，座舱结构1采用飞机机头物理样机前半部分框段结构件；操纵机构2采用飞机机头物理样件中的驾驶杆/盘、脚蹬、油门等组件并加以改装；综合控制单元3和声音仿真单元7采用计算机控制方式实现；飞行仿真单元4采用VC++和Matlab/Simulink混合编程方式实现；仪表仿真单元5采用虚拟仪表方式来实现；视景仿真单元6采用五通道柱幕方式实现；各仿真单元之间通过以太网方式进行数据传输与通信。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种飞机机头物理样机演示验证平台，其特征在于，包括:

座舱结构(1)，采用飞机机头物理样机前半部分框段结构件；

操纵机构(2)，采用飞机机头物理样件原有结构并加装传感器；

综合控制单元(3)，用于提供演示验证平台的飞行调度、管理与控制；

飞行仿真单元(4)，用于提供飞机的飞行过程仿真，通过接收综合控制单元(3)的初始化信息以及操纵机构(2)的飞机操纵信息，经过实时解算后得到飞机的飞行状态信息，然后发送给仪表仿真单元(5)、视景仿真单元(6)以及声音仿真单元(7)；

仪表仿真单元(5)，采用虚拟仪表方式实现，通过接收飞行仿真单元(4)解算出的飞行状态信息，控制相应的仪表画面显示；

视景仿真单元(6)，接收飞行仿真单元(4)解算出的飞行状态信息，控制相应的场景画面显示；以及，

声音仿真单元(7)，通过接收飞行仿真单元(4)解算出的飞行状态信息，调用相应的声音素材，驱动声卡，实现声音模拟；

其中，各仿真单元之间通过以太网方式实现数据传输与通信。

2.如权利要求1所述的飞机机头物理样机演示验证平台，其特征在于，所述操纵机构(2)至少包括驾驶杆、驾驶盘、脚蹬、刹车机构以及油门机构。

3.如权利要求2所述的飞机机头物理样机演示验证平台，其特征在于，所述驾驶杆、驾驶盘以及脚蹬加装位移传感器，并增加传感器的有效行程；所述刹车机构加装位移传感器和弹簧装置，油门机构加装位移传感器。

4.如权利要求1所述的飞机机头物理样机演示验证平台，其特征在于，综合控制单元(3)所提供的演示验证平台的飞行调度、管理与控制包括飞机初始状态及参数的设置、飞行环境的设置、系统运行过程的控制以及飞行参数的实时显示控制。

5.如权利要求1所述的飞机机头物理样机演示验证平台，其特征在于，飞行仿真单元(4)提供的飞机飞行过程仿真包含飞机在滑行、起飞、巡航、进场和着陆等典型过程的全包线范围内的飞行仿真。

6.如权利要求1所述的飞机机头物理样机演示验证平台，其特征在于，所述视景仿真单元(6)提供的场角为水平视场角220度，垂直视场角50度。

7.如权利要求1所述的飞机机头物理样机演示验证平台，其特征在于，所述视景仿真单元(6)采用五通道柱幕方式实现，包括视景计算机、投影器以及柱幕组件。

8.如权利要求1所述的飞机机头物理样机演示验证平台，其特征在于，所述声音仿真单元(7)包含声音仿真机、功放、音箱和耳机。

9.如权利要求1所述的飞机机头物理样机演示验证平台，其特征在于，通过接收飞行仿真单元(4)解算出的飞行状态信息，调用相应的声音素材，驱动声卡，再经过功放、音箱和耳机实现逼真的声音模拟。