彭昌毅

（蕪湖航翼集成設備有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

本研究結合現(xiàn)有的實裝飛行模擬器搭載的機械式驅動和嵌入式驅動兩種半實物仿真儀表，通過拆解修理分析，總結兩者的優(yōu)缺點，并結合現(xiàn)有技術，提出一種全新的飛行模擬器半實物仿真儀表的設計思路。

傳統(tǒng)的機械式儀表通常是由航空總線接口、電機、傳動齒輪以及機械式儀表面板組成。所以，傳統(tǒng)的機械式儀表也可理解為機電一體化儀表。以某發(fā)動機排氣溫度表為例，其工作流程為：通過總線接口傳遞電信號，驅動電機轉動，進而帶動傳動齒輪運動，最終實現(xiàn)表盤的指針轉動。

在飛行時，機械式儀表具有較強的抗干擾能力，目前應用的飛行模擬器均采用傳統(tǒng)的機械式儀表。為了能夠控制機械式儀表的指針轉動，特別是在跨360°（也即0°）角時，需要設計復雜的PID控制算法進行跨臨界角轉動。為了提高模擬器的仿真逼真度，需要提高對機械儀表齒輪等精密器件的設計精度與制造要求，導致機械式儀表的生產(chǎn)成本增加。

飛行模擬器作為地面模擬飛行訓練的裝備，對實裝飛機來說，其運行環(huán)境相幾乎沒有外界強烈的干擾，所以在對座艙儀表進行仿真過程中，可使用非機械式儀表來代替。目前，較為常見的方法是采用機械表盤結合嵌入式驅動模塊來實現(xiàn)飛行模擬器的仿真儀表。以某襟翼冷氣壓力表為例，其工作流程為：通過總線接口來傳遞電信號，使能驅動模塊，進而傳動電機運動，從而實現(xiàn)表盤的指針轉動。

在不考慮抗干擾因素的影響下，航空儀表的驅動效果與機械式儀表是一樣的，不同之處在于，航空儀表控制儀表指針在臨界點的轉動可通過對驅動模塊編程來實現(xiàn)，減少對機械式表盤控制算法的設計。當被仿真的航空儀表較為復雜時，如指令地平儀和航道羅盤指示器，這種設計方式對驅動模塊的功能選型提出了更多的要求。另外，隨著儀表指針轉向維度的增加，轉動電機的個數(shù)也會逐級遞增。

機械式儀表存在制作工藝復雜、經(jīng)濟成本較高、要設計復雜的控制算法、指針轉動精度一般等問題。機械表盤結合嵌入式驅動模塊的仿真儀表同樣也存在制作工藝復雜、難以仿真較為復雜的航空儀表等問題。本研究提出一種嵌入式計算機圖形仿真儀表，可滿足小型化、高精度、可更換等要求，采用GL Studio軟件架構，并結合拿鐵熊貓硬件平臺，以指令地平儀為研究對象，開發(fā)出一種嵌入式飛行模擬器半實物仿真儀表。

1 飛行模擬器半實物仿真儀表軟件的設計與實現(xiàn)

1.1 基于GL Studio的半實物仿真儀表設計

GL Studio由圖形設計區(qū)（Geometry）、代碼編輯區(qū)（Code）、應用設計區(qū)（Application）、源碼生成區(qū)（Generation）和資源編輯區(qū)（Resources）組成。其中，設計過程中主要使用的是圖形設計區(qū)和源碼生成區(qū)。圖形設計區(qū)提供一個“所見即所得”的圖形編輯交互窗口，并提供設計模式（Modes）、設計轉換（Convert）、設計調整（Modify）和創(chuàng)建設計（Create）等交互式操作接口，從而使用戶的可視化創(chuàng)建與設計變得更加便捷。代碼生成區(qū)用于創(chuàng)建可視化界面對象，并生成對應的C++類模塊，使用者可通過編輯、調試及調用該類，從而實現(xiàn)對可視化對象的控制。

孫艷麗等［1］為解決院校實驗教學、裝備培訓等要滿足大量人員同時使用的需求，基于GL Studio軟件開發(fā)出電源柜和示波器，取得了較好的教學培訓效果；徐國標等［2］探討了如何利用GL Studio軟件來設計實現(xiàn)“照片級”的虛擬儀表，為本研究的軟件開發(fā)提供了借鑒思路；李建海等［3］利用GL Studio軟件實現(xiàn)了氣壓高度表，并通過UDP實現(xiàn)對飛行模擬器的數(shù)據(jù)交互，但該方法僅在軟件工程中實現(xiàn)，并沒有在實際中設計出可用于模擬器實裝的表盤。

參考上述設計實例，本研究以某型飛機機載指令地平儀為例，設計出基于GL Studio的飛行模擬器半實物仿真指令地平儀，具體流程如圖1所示。

1.2 半實物仿真指令地坪儀的設計步驟與實現(xiàn)

結合圖1的半實物仿真儀表的設計流程，指令地坪儀的設計步驟如下。

1.2.1 指令地平儀的圖形準備工作。通過對指令地平儀的實物組件進行劃分，其表盤由5個可單獨拼接的子部件組成。因此，指令地平儀的圖形準備工作階段主要是通過繪圖工具來繪制出5個子部件的紋理圖片（見表1）。

表1 指令地平儀的紋理創(chuàng)建

1.2.2 指令地平儀的模型創(chuàng)建。在GL Studio軟件中創(chuàng)建并設計指令地平儀的模型。①在MS VC++8.0中新建基于“GL Studio 3.2 Application Wizard”的工程，并命名為“MeterHorizon”；②打開該工程下后綴名為“.gls”的文件，設計指令地平儀模型；③在GL Studio繪制面板中添加“Rectangle”對象并命名，并在該命名對象上添加紋理；④重復第③步，添加的“Rectangle”對象和對應紋理順序依次為：刻度板部件、儀表轉動背景部件、指針部件、指針刻度板部件和儀表內殼部件。至此，完成了基于GL Studio的指令地平儀模型搭建工作。

1.2.3 GL Studio結合MS VC++8.0的指令地平儀功能軟件開發(fā)。結合上述搭建的指令地平儀模型，首先在GL Studio的Code頁面中編輯指令地平儀控制代碼，在void Calculate（double time）內編輯如下代碼，用于實現(xiàn)指令地平儀的仿真運動。

∕∕實現(xiàn)刻度板部件的俯仰運動

f=gRecvData.horizon_pitch*-2.5f；

ScalePitch-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

∕∕實現(xiàn)刻度板部件的滾轉運動

f=gRecvData.horizon_roll*-1；

ScalePitchGroup-＞DynamicRotate（f，Z_AXIS）；

∕∕實現(xiàn)指針部件中的飛機標轉動

f=gRecvData.horizon_plane；

PlaneLeft-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

PlaneRight-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

∕∕實現(xiàn)指針部件中飛機標陰影轉動

PlaneShaderL-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

PlaneShaderR-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

然后生成指令地平儀對象的頭文件和源文件代碼，在MeterHorizon工程中添加上述頭文件和源文件，并增加基于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡通信模塊，編輯并生成指令地平儀仿真儀表的可執(zhí)行文件。

2 飛行模擬器半實物仿真儀表的硬件環(huán)境配置與實現(xiàn)

2.1 半實物仿真儀表的硬件選型及實現(xiàn)流程

在本研究所提出的飛行模擬器半實物仿真儀表設計方案中，仿真儀表的設計與開發(fā)工作主要是在裝有Windows操作系統(tǒng)的個人計算中完成，最終生成仿真儀表對應的可執(zhí)行文件。

結合飛行模擬器半實物仿真儀表的應用場景，選型LattePanda Win10企業(yè)版的嵌入式硬件平臺，將上述可執(zhí)行文件部署在該平臺上，即可完成對飛行模擬器半實物仿真儀表的軟硬件搭建與部署。以指令地平儀為例，具體的實現(xiàn)流程見圖2。

圖2 指令地平儀半實物仿真儀表的部署與實現(xiàn)流程

2.2 半實物仿真指令地坪儀的部署與實現(xiàn)

從圖2可以看出，半實物仿真指令地平儀的軟硬件開發(fā)過程可分為3個階段。

2.2.1 在Windows XP及以上操作系統(tǒng)中開發(fā)基于GL Studio的飛行模擬器仿真儀表，完成開發(fā)后，將生成相應的可執(zhí)行文件進行打包。

2.2.2 完成基于拿鐵熊貓開發(fā)板的操作系統(tǒng)安裝和硬件連接。在該開發(fā)板中安裝Win10的操作系統(tǒng)，然后通過飛行模擬器座艙牽引出5 V∕2 A予以供電，并通過網(wǎng)線連接實現(xiàn)UDP報文的傳輸。

2.2.3 將第一階段生成的可執(zhí)行文件部署在拿鐵熊貓開發(fā)板中，運行執(zhí)行文件，最后通過HDMI視頻信號將具體的儀表信息通過視頻信號驅動板和定制顯示器顯示給用戶端。

2.3 半實物仿真指令地坪儀外觀結構設計

為滿足某型飛行模擬器中半實物仿真指令地坪儀的修理要求，通過原機測繪，設計出本研究研制的飛行模擬器半實物仿真指令地平儀外觀結構（見圖3至圖6）。

圖3 半實物仿真指令地平儀三維示意圖

圖6 半實物仿真指令地平儀后視圖（單位：mm）

3 三種半實物仿真儀表的對比分析

將本研究所提出的嵌入式計算機圖形仿真儀表與傳統(tǒng)的機械式仿真儀表、機械表盤組合嵌入式驅動式模塊仿真儀表進行對比分析（見表2）。

圖4 半實物仿真指令地平儀主視圖（單位：mm）

由表2可知，本研究所提出的基于GL Studio結合嵌入式計算機半實物仿真圖形儀表較其他兩種儀表具有明顯的優(yōu)勢：①軟件具有很好的可拓展性，通過修改GL Studio配置文件，可實現(xiàn)對不同類型的儀表設計與開發(fā)；②硬件平臺具有低成本、易更換、連接方式簡單等優(yōu)點；③儀表外殼的機械加工同樣可實現(xiàn)不同需求的個性化定制。

表2 三種半實物仿真儀表的對比分析

圖5 半實物仿真指令地平儀俯視圖（單位：mm）

4 結語

本研究利用GL Studio軟件架構實現(xiàn)對半實物仿真儀表的建模設計以及儀表驅動程序的開發(fā)，并結合嵌入式拿鐵熊貓硬件平臺，安裝嵌入式Win10操作系統(tǒng)，將GL Studio的儀表仿真模型部署到該嵌入式計算機中，基于UDP報文協(xié)議與飛行模擬器主仿真程序通信，通過HDMI輸出目標儀表的視頻顯示結果。最后，通過原機測繪，設計目標半實物仿真儀表的機械外殼。將總裝集成后的儀表裝配于待修理飛行模擬器，完成該項修理任務。