CN112287456B - 一种模块化可配置式工程用飞行模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行仿真及机载设备测试技术领域，具体涉及一种模块化可配置式工程用飞行模拟器。本发明基于高内聚的思想采用模块化方法实现了各仿真系统间的功能解耦设计；各仿真系统间通信采用DDS分布式高速实时网络传输技术，实现相互之间的空间解耦；通过模块化设计使得各仿真系统模块可灵活配置，大大提高了工程用飞行模拟器的用途，可用于各种机上设备的仿真测试，且既可开展全数字式功能仿真，又可开展半物理仿真测试；考虑到测试期间的应用场景，对各仿真系统的物理实施层面的布局进行了整体设计，最终达到易用、好用、美观的效果。

Description

一种模块化可配置式工程用飞行模拟器

技术领域

本发明涉及飞行仿真及机载设备测试技术领域，更具体地说，涉及一种用于机载设备功能仿真评估、测试的模块化、可配置式工程用飞行模拟器。

背景技术

基于地面模拟飞行仿真开展机载系统功能的需求捕获、需求确认、设计开发、参数调节优化以及机载设备的半物理仿真验证等均具有重要的工程意义，现已广泛应用于航空机载设备研发领域，开展该工作的首要任务是构建工程用飞行模拟器。

工程用飞行模拟器通常实现如下功能：提供人机接口设备、仿真软件系统、物理结构等，支持开展人在回路操纵驾驶飞机时的操作、显示、仪表输出等各种表现。工程用飞行模拟器对飞行过程及飞行操纵模拟的逼真度越高，对功能/设备开发带来的益处也就越大，相应地，造价就越昂贵，因此，提高模拟器的用途及功能扩展能力是一种实现高费效比的方法。对于工程用模拟器，其构成中的飞行仿真、操纵负荷、模拟座舱、视景以及系统管理部分均为基本构成，提供模拟器扩展功能的一种思路就是为其提供灵活的、可配置的模拟器管理、仿真控制、接口仿真等功能模块。

DDS(Data Distribution Service数据分发服务)是对象管理组织OMG的有关分布式实时系统中数据发布的规范。DDS规范采用了发布/订阅体系结构，对实时性要求提供更好的支持，加之其低延迟、高吞吐量、平台无关等优势，广泛应用于航空航天、工业自动化、机器人、分布式仿真等多个领域。工程用飞行模拟器各仿真系统间采用DDS网络传输技术,可实现空间解耦、时间解耦以及控制流解耦，使得各部分间接口灵活可配，且适用于各种开发语言及开发平台，便于并行开发及更改维护，为模拟器功能的可配置性提供了网络通信基础。

飞行仿真软件是飞行模拟器中的重要组成部分，是实现高逼真度仿真模拟的关键、飞行模拟软件通常实现飞行主仿真、机载系统仿真等功能。对于工程用飞行模拟器，飞行主仿真部分通常不会变化，而机载系统部分根据被测对象的不同，对于某个特定系统可以采用数字仿真形式或半物理仿真(采用真实设备)形式，在使用中可能会发生变化，因此，在设备构建时，可将固有部分与可变部分分开驻留，合理设计功能模块，确保主功能的可靠性以及扩展功能的灵活配置性。

考虑到工程用飞行模拟器频繁开展功能仿真、设备测试、功能/性能评估等工作，以及模拟座舱空间的狭小，应配置专用的工程师开发平台作为模拟器的一个节点，且该平台应位于舱外。考虑到模拟座舱的封闭性，为了实现仿真测试期间的工作协同，应为舱内外各席位提供沟通手段。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种模块化可配置式工程用飞行模拟器，包括通信连接的：

模拟座舱系统，用于模拟目标机型的座舱环境；

操纵负荷系统，用于模拟目标机型的操纵装置力感特性；

飞行仿真系统，用于模拟目标机型的六自由度运动特性生成目标机型的运动及状态参数，并用于模拟目标机型的机载系统功能并输出模拟的机载系统的相应数据；

视景系统，用于生成与运动及状态参数匹配的外界场景图像；

任务设定与仿真控制系统，用于总控飞行模拟器；

机载设备数字仿真接口系统，用于为待测机载设备的逻辑功能提供源自飞行模拟器的数字式激励接口；

机载设备真件接口系统，用于为待测机载设备提供源自飞行模拟器的硬件接口；

工程师开发平台系统，用于模拟器的扩展功能的开发；

人机工效评估系统，用于评估测试人员操纵飞行模拟器时的人机工效。

进一步的，模拟座舱系统与飞行仿真系统、操纵负荷系统和人机工效评估系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

操纵负荷系统与飞行仿真系统、模拟座舱系统和任务设定与仿真控制系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

飞行仿真系统与模拟座舱系统、操纵负荷系统、视景系统、任务设定与仿真控制系统、人机工效评估系统、机载设备数字仿真接口系统和机载设备真件接口系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

视景系统与飞行仿真系统和任务设定与仿真控制系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

任务设定与仿真控制系统与飞行仿真系统、模拟座舱系统、操纵负荷系统和视景系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

机载设备数字仿真接口系统与飞行仿真系统和工程师开发平台系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

机载设备真件接口系统与飞行仿真系统和工程师开发平台系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信。

进一步的，飞行仿真系统包括：

飞行主仿真模块，用于模拟目标机型的六自由度运动特性，生成原始仿真数据；

机载传感类航电设备仿真模块，用于模拟目标机型的机上传感类航电设备的功能，基于原始仿真数据及传感类航电设备误差特性，生成模拟的传感设备输出数据；

飞行管理仿真模块，用于基于模拟座舱操作指令和模拟的传感设备输出数据生成航路数据；

自动飞行仿真模块，用于基于航路数据、模拟的传感设备输出数据以及自动飞行仿真模块自身的导引律，生成引导指令；

飞行控制仿真模块，用于基于测试人员的操纵输入、模拟的传感设备输出数据、引导指令以及飞行控制仿真模块自身的控制律，生成飞机控制数据；

人机接口仿真模块，用于基于模拟的传感设备输出数据以及人机接口仿真模块自身的显示逻辑特性，生成仿真的仪表画面。

进一步的，人机接口仿真模块包括逻辑子模块和图形子模块。

进一步的，飞行仿真系统各模块驻留在第一服务器、第二服务器、第三服务器和图形工作站中；

第一服务器用于驻留飞行主仿真模块；

第二服务器用于驻留机载传感类航电设备仿真模块、飞行控制仿真模块、自动飞行仿真模块和飞行管理仿真模块；

第三服务器用于驻留人机接口仿真模块中的逻辑子模块；

图形工作站用于驻留人机接口仿真模块中的图形子模块。

进一步的，飞行仿真系统还包括供电模块、液压模块、环控模块和照明模块。

采用上述技术方案，本发明能够带来以下有益效果：

针对工程用飞行模拟器的特点，本发明将其划分成了九个功能相互独立的子系统，便于各部分模块式设计及并行开发，实现高内聚低耦合；

针对各子系统间的复杂数据交联关系，本发明采用了DDS实时通信网络，通过其发布/订阅体系结构，实现了各部分间的空间解耦、时间解耦以及控制流解耦；

针对机载设备从模型、算法设计到实物集成等不同阶段的不同测试需求，本发明提出了可切换的“数字仿真接口系统”和“真件仿真接口系统”，可满足不同开发阶段的不同测试需求；

以上几种措施均确保了所提工程用飞行模拟器自身功能以及对外所能提供的资源、能力的灵活可配置性，从而使得所提飞行模拟器在机载设备开发测试领域的通用性，可广泛应用于机载系统功能的需求捕获、需求确认、设计开发、参数调节优化以及机载设备的半物理仿真验证等各环节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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是本发明实施例提供的模块化可配置式工程用飞行模拟器的示意框图；

图2是本发明实施例提供的飞行仿真系统模块划分及硬件部署关系框图；

图3是本发明实施例提供的模拟器空间布局设置框图；

其中：S101-模拟座舱系统；S102-操纵负荷系统；S103-视景系统；S104-飞行仿真系统；S105-任务设定与仿真控制系统；S106-机载设备数字仿真接口系统；S107-机载设备真件接口系统；S108-工程师开发平台系统；S109-人机工效评估系统；S201-飞行主仿真模块S202-基本机上系统仿真模块；S203-逻辑子模块；S204-图形子模块S301-工程用飞行模拟器主体；S302-机柜；S304-人机工效评估显示终端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。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。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本发明实施例提供一种模块化可配置式工程用飞行模拟器，包括通信连接的：

模拟座舱系统S101，用于模拟目标机型的座舱环境；

操纵负荷系统S102，用于模拟目标机型的操纵装置力感特性；

飞行仿真系统S104，用于模拟目标机型的六自由度运动特性生成目标机型的运动及状态参数，并用于模拟目标机型的机载系统功能并输出模拟的机载系统的相应数据；

视景系统S103，用于生成与运动及状态参数匹配的外界场景图像；

任务设定与仿真控制系统S105，用于总控飞行模拟器；

机载设备数字仿真接口系统S106，用于为待测机载设备的逻辑功能提供飞行模拟器的数字式激励接口；

机载设备真件接口系统S107，用于为待测机载设备提供飞行模拟器的硬件接口；

工程师开发平台系统S108，用于模拟器的扩展功能的开发；

人机工效评估系统S108，用于评估测试人员操纵飞行模拟器时的人机工效。

在一个实施例中，

模拟座舱系统S101与飞行仿真系统S104、操纵负荷系统S102和人机工效评估系统S108之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

操纵负荷系统S102与飞行仿真系统S104、模拟座舱系统S101和任务设定与仿真控制系统S105之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

飞行仿真系统S104与模拟座舱系统S101、操纵负荷系统S102、视景系统S103、任务设定与仿真控制系统S105、人机工效评估系统S108、机载设备数字仿真接口系统S106和机载设备真件接口系统S107之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

视景系统S103与飞行仿真系统S104和任务设定与仿真控制系统S105之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

任务设定与仿真控制系统S105与飞行仿真系统S104、模拟座舱系统S101、操纵负荷系统S102和视景系统S103之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

机载设备数字仿真接口系统S106与飞行仿真系统S104和工程师开发平台系统S108之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

机载设备真件接口系统S107与飞行仿真系统S104和工程师开发平台系统S108之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信。

在一个实施例中，

飞行仿真系统S104包括：

飞行主仿真模块S201，用于模拟目标机型的六自由度运动特性，生成原始仿真数据；

机载传感类航电设备仿真模块，用于模拟目标机型的机上传感类航电设备的功能，基于原始仿真数据及传感类航电设备误差特性，生成模拟的传感设备输出数据；

飞行管理仿真模块，基于模拟座舱操作指令和模拟的传感设备输出数据生成航路数据；

自动飞行仿真模块，用于基于航路数据、模拟的传感设备输出数据以及自动飞行仿真模块自身的导引律，生成引导指令；

飞行控制仿真模块，用于基于测试人员的操纵输入、模拟的传感设备输出数据、引导指令以及飞行控制仿真模块自身的控制律，生成飞机控制数据；

人机接口仿真模块，用于基于模拟的传感设备输出数据以及人机接口仿真模块自身的显示逻辑特性，生成仿真的仪表画面。

在一个实施例中，

人机接口仿真模块包括逻辑子模块S203和图形子模块S204。

在一个实施例中，

飞行仿真系统S104各模块驻留在第一服务器、第二服务器、第三服务器和图形工作站中；

第一服务器用于驻留飞行主仿真模块S201；

第二服务器用于驻留机载传感类航电设备仿真模块、飞行控制仿真模块、自动飞行仿真模块和飞行管理仿真模块；

第三服务器用于驻留人机接口仿真模块中的逻辑子模块S203；

图形工作站用于驻留人机接口仿真模块中的图形子模块S204。

在一个实施例中，

飞行仿真系统S104还包括供电模块、液压模块、环控模块和照明模块。

在一个实施例中，提出一种模块化、可配置式工程用飞行模拟器设计方案，包括：飞行模拟器组成及各仿真系统主要功能、各仿真系统交联关系及通信方式、飞行仿真系统S104组成及各模块主要功能、飞行仿真系统S104各模块硬件部署、模拟器空间布局及实现舱内外试验人员之间实时沟通的方式。

在本实施例中，根据某类别通用机型形式构建模拟座舱系统S101，其中驻留有相关操作设备及显示、控制等终端，提供模拟的驾驶环境，作为工程用飞行模拟器的基础；

为处于模拟座舱中的主操纵装置(驾驶杆/盘、脚蹬、推力杆)配置操纵负荷系统S102，提高操纵期间的力反馈效果，操纵负荷系统S102通过接收来自飞行仿真系统S104的模拟飞行参数，生成与之匹配的力感效应，并施加到位于驾驶舱内的主操纵装置上，操纵负荷系统S102与模拟座舱系统S101中的主操纵装置之间通过机械装置连接；此外，操纵负荷系统S102还接收来自任务设定与仿真控制系统S105的指令，用于初始状态设置；

为工程用飞行模拟器提供视景系统S103，包括视景生成、视景显示等部分，以在模拟飞行操纵测试期间提供飞行场景反馈及沉浸感体验，提高仿真的逼真度；视景系统S103根据来自飞行仿真系统S104的仿真参数实时呈现出与当前飞行态势匹配的场景，并向飞行仿真系统S104反馈当前的地形高度；此外，视景系统S103还响应来自任务设定与仿真控制系统S105的场景信息设置指令，呈现出当前的时间、天气、气象等显示效果；

飞行仿真系统S104为工程用飞行模拟器的核心，模拟飞机六自由度飞行及机上、地基相关系统的工作情况，接收来自模拟座舱中的主操纵装置以及其它操控设备的指令信息，进行运动学、动力学解算以及除被测设备之外的机上其它系统的仿真，模拟各系统输出相应参数，供模拟器中的人机接口系统以及被测设备使用；

任务设定与仿真控制系统S105用于工程用飞行模拟器基础设施部分的设置与管理，通过设置使得模拟器模拟各种态势，用于在特定场景情形下激励被测设备，从而对被测设备进行针对性测试；

机载设备数字仿真接口系统S106S106和机载设备真件接口系统S107S107为被测单元，是本模拟器架构实现“可配置式”的关键所在；它们的存在使得该架构的工程用飞行模拟器既可支持实现对被测设备功能的数字仿真，又可实现对被测设备真件的测试；机载设备数字仿真接口系统S106S106和机载设备真件接口系统S107S107向上通过DDS网络实现与工程用飞行模拟器的数据交换，向下分别通过DDS网络和航空总线实现对被测模型或被测设备真件的激励及数据交换；

工程师开发平台系统S108也是支持本模拟器架构实现“可配置式”的重要组成部分，主要用于实现对机载设备数字仿真接口系统S106和机载设备真件接口系统S107中接口、数据以及资源的配置，当更换不同的被测设备/功能模型时，无需对工程用飞行模拟器部分主体进行更改，仅通过在此处进行接口及资源配置既可实现；

人机工效评估系统S108提供眼动、心动、脑电、行为测量设备，传感测量终端位于模拟座舱内，数据分析及呈现终端位于模拟座舱外，该设备一方面实时测量基于模拟飞行测试期间的被测人员行为表现及心理变化，另一方面通过接收来自飞行仿真系统S104的模拟飞行参数，实现行为表现及生理心理变化数据与模拟飞行参数之间的协同，进而支持基于相关性等方法开展工效学评估。

如图2所示，为本发明发明的一种工程用飞行模拟器中的飞行仿真系统S104模块划分及硬件部署关系；

飞行仿真系统S104中的飞行主仿真模块S201，用于实现基本的飞机六自由度解算功能，基于操纵装置偏转指令进行基本飞行参数计算；该部分为通用部分，不会变化，因此，相应的软件模块驻留在单独的服务

器中；

基本机上系统仿真模块S202，且与飞行主仿真模块S201关联性较大，相对于被测目标系统也较为稳定，这些模块驻留在服务器2上；

航电人机接口模块中的逻辑子模块S203，作为模拟器重要的人机接口部分，在设备测试中存在基于该人机接口系统显示特性信息的需求，改动相对较为频繁，因此，单独部署到1台服务器上；

航电人机接口系统中的图形子模块S204，由于要渲染出多个显示画面，因此可基于具备多个视频输出接口的单台图形工作站实现。

如图3所示，为本发明发明的一种工程用飞行模拟器空间布局设置及配置；

工程用飞行模拟器主体S301，其上安装部署模拟座舱系统S101、视景系统S103、操纵负荷系统S102、任务设定与仿真控制系统S105以及相应的供电配电及网络交换等设备设施；

机柜S302，其中放置各仿真服务器、图形工作站，实现工程用飞行模拟器中的所有仿真软件功能；

工程师开发平台系统S108，其上配有显示终端S304及电源、网络等接口资源，并配有相应的工作台，实现将被测设备接入整个工程用飞行模拟器系统，为实现舱内外协同仿真测试工作，在工程用飞行模拟器主体S301中的模拟座舱内与本工程师开发平台上分别配有音视频终端；

人机工效评估显示终端S304，用于实现测量数据及分析数据的动态呈现，供位于工程师开发平台位置的开发人员提供分析数据。

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以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种模块化可配置式工程用飞行模拟器，其特征在于：包括通信连接的：

模拟座舱系统，用于模拟目标机型的座舱环境；

操纵负荷系统，用于模拟目标机型的操纵装置力感特性；

飞行仿真系统，用于模拟目标机型的六自由度运动特性生成所述目标机型的运动及状态参数，并用于模拟目标机型的机载系统功能并输出模拟的机载系统的相应数据；

视景系统，用于生成与所述运动及状态参数匹配的外界场景图像；

任务设定与仿真控制系统，用于总控所述飞行模拟器；

机载设备数字仿真接口系统，用于为待测机载设备的逻辑功能提供源自所述飞行模拟器的数字式激励接口；

机载设备真件接口系统，用于为待测机载设备提供源自所述飞行模拟器的硬件接口；

工程师开发平台系统，用于模拟器的扩展功能的开发；

人机工效评估系统，用于评估测试人员操纵所述飞行模拟器时的人机工效。

2.根据权利要求1所述的飞行模拟器，其特征在于：

模拟座舱系统与飞行仿真系统、操纵负荷系统和人机工效评估系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

操纵负荷系统与飞行仿真系统、模拟座舱系统和任务设定与仿真控制系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

飞行仿真系统与模拟座舱系统、操纵负荷系统、视景系统、任务设定与仿真控制系统、人机工效评估系统、机载设备数字仿真接口系统和机载设备真件接口系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

视景系统与飞行仿真系统和任务设定与仿真控制系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

任务设定与仿真控制系统与飞行仿真系统、模拟座舱系统、操纵负荷系统和视景系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

机载设备数字仿真接口系统与飞行仿真系统和工程师开发平台系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信；

机载设备真件接口系统与飞行仿真系统和工程师开发平台系统之间采用DDS分布式高速实时网络传输技术进行通信。

3.根据权利要求1所述的飞行模拟器，其特征在于：所述飞行仿真系统包括：

飞行主仿真模块，用于模拟目标机型的六自由度运动特性，生成原始仿真数据；

机载传感类航电设备仿真模块，用于模拟目标机型的机上传感类航电设备的功能，基于原始仿真数据及传感类航电设备误差特性，生成模拟的传感设备输出数据；

飞行管理仿真模块，用于基于模拟座舱操作指令和模拟的传感设备输出数据生成航路数据；

自动飞行仿真模块，用于基于航路数据、模拟的传感设备输出数据以及自动飞行仿真模块自身的导引律，生成引导指令；

飞行控制仿真模块，用于基于测试人员的操纵输入、模拟的传感设备输出数据、引导指令以及飞行控制仿真模块自身的控制律，生成飞机控制数据；

人机接口仿真模块，用于基于模拟的传感设备输出数据以及人机接口仿真模块自身的显示逻辑特性，生成仿真的仪表画面。

4.根据权利要求3所述的飞行模拟器，其特征在于：所述人机接口仿真模块包括逻辑子模块和图形子模块。

5.根据权利要求4所述的飞行模拟器，其特征在于：所述飞行仿真系统各模块驻留在第一服务器、第二服务器、第三服务器和图形工作站中；

所述第一服务器用于驻留飞行主仿真模块；

所述第二服务器用于驻留机载传感类航电设备仿真模块、飞行控制仿真模块、自动飞行仿真模块和飞行管理仿真模块；

所述第三服务器用于驻留人机接口仿真模块中的逻辑子模块；

所述图形工作站用于驻留人机接口仿真模块中的图形子模块。

6.根据权利要求3所述的飞行模拟器，其特征在于：所述飞行仿真系统还包括供电模块、液压模块、环控模块和照明模块。

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