基于Qt/Linux的飛行仿真管理系統的研究與設計

朱 嶺，萬 偲

(1.中航工業直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001;2.西北工業大學，陜西 西安 710072)

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基于Qt/Linux的飛行仿真管理系統的研究與設計

朱 嶺1，萬 偲2

(1.中航工業直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001;2.西北工業大學，陜西 西安 710072)

飛行仿真管理系統采用Windows系統作為其應用平臺，在某種場合下，實時性不理想。為解決上述問題，利用Linux開源操作系統和Qt圖形開發工具作為開發環境，設計一種低成本且實時性好的飛行仿真管理系統：首先，對Linux內核實時性進行改進并搭建仿真管理系統的開發平臺；然后，提出該系統軟件設計方案，包括人機交互界面的設計、分系統數據管理調度和分系統線程的建立；最后，對仿真管理系統進行仿真測試，結果表明，該仿真管理系統具有較好的可靠性和實時性。

飛行仿真管理系統；Linux操作系統；Qt；實時性

0 引言

直升機研制過程中，各種新技術的開發和研究成果的驗證均需要先進而有效的研究工具，由此，現代飛行仿真技術應運而生。該仿真技術是以相似原理、控制理論、計算機技術、航空技術、精密機械技術、心理學和生物工程等為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行動態試驗研究驗證。該技術可大體分為三種：數學仿真、含實物仿真和人在回路仿真。

飛行模擬器屬于典型的人在回路仿真系統，用來模仿直升機執行飛行任務或訓練時的飛行狀態、飛行條件及飛行環境，并為飛行員提供相似的操縱負荷、視覺、聽覺、運動感覺的試驗和訓練裝置。飛行模擬器的組成如圖1所示，主要由仿真管理系統、航電系統、飛行系統、操縱系統、視景系統和教員臺系統5部分構成。仿真管理系統在日常的飛行任務中扮演著十分重要的角色，是飛行模擬器的神經中樞，處理大量的數據信息，因此對其實時性要求很高。但是，目前國內直升機飛行模擬器基本采用Windows操作系統作為其仿真管理系統的應用平臺，實時性不理想。

因此本文針對上述直升機仿真管理系統實時性不高的缺陷，利用改進的Linux開源操作系統和Qt圖形開發工具作為開發平臺，設計并開發了成本低且實時性好的飛行仿真管理系統，同時驗證了該設計的可行性。

圖1 飛行模擬器組成圖

1 Linux內核實時性改進

由于Linux操作系統開放源代碼可以免費下載，更可以自行修改內核代碼以適應具體要求，因此，本文選擇Linux作為仿真管理系統的開發平臺。但它采用的中斷處理機制、時鐘中斷機制和任務調度策略不能提供很好的實時支持[3-5]，具體原因見表1。

針對表1中的問題，本文參考相關文獻設計一個實時的Linux改進版本，簡稱N-Linux,主要修改了Linux的中斷機制、時鐘機制和實時多任務調度策略。詳細實現方案如下：

1)修改Linux中斷機制，實現內核可搶占性，即在內核與硬件之間加入一個中斷模擬器接管內核對中斷的管理。當內核關中斷時，中斷模擬器把之后發生的中斷掛起并記錄下來，待內核調用開中斷命令允許中斷時，中斷模擬器對掛起的中斷進行模擬，讓Linux內核依次處理。

2)時鐘中斷機制：改變Linux原有10ms時鐘中斷的固定頻率模式，在任何需要時通過重新設定時鐘而產生中斷，這是通過時鐘控制模塊實現的。時鐘控制模塊采用周期時鐘中斷模式，即將時鐘芯片設置為任意精度的周期性中斷方式[6-7]。

3)調度算法的主要任務是保證周期任務滿足時間約束。基本思想是：由用戶根據緊迫程度為任務分配靜態優先級，具有最緊迫時限要求的任務將被分配最高優先級。

上述的實時N-Linux結構可以較好地滿足實時性應用的要求。

表1 實現Linux實時性所要解決的關鍵問題

2 仿真管理系統設計

2.1 仿真管理系統開發平臺搭建

考慮到仿真管理系統主要是為直升機飛行模擬器提供人機交互、數據和任務管理調度等功能，通過對其功能的分析，本文仿真管理系統開發環境采用多臺X86結構的高性能計算機，開發平臺為實時改進的N-Linux操作系統(Centos 6.0)和QT圖形開發工具，QT是一種跨平臺的開源界面庫，性能較好，邏輯簡單，易于開發，可有效地、實時地完成各個分系統之間的任務調度，開發語言為C/C++。另外，航電系統、飛行系統、操縱系統、視景系統和教員臺系統(以下簡稱分系統)與仿真管理系統采用高速以太網進行通信，其示意圖如圖2所示。 高速以太網通信協議采用用戶數據報協議(UDP)，選取依據如下：從軟件可維護性的角度出發，應選擇當前流行的編程接口和通信協議，又考慮到管理軟件開發基于多種平臺，所選擇的協議必須對所有這些操作系統都是兼容的。因此，選擇了當前流行的TCP/IP協議：傳輸控制協議TCP和UDP。TCP提供面向連接的服務，由于TCP要提供可靠的傳輸服務，因此，TCP就不可避免地增加了許多開銷，如應答、流量控制、定時器以及連接管理等，這不僅使協議數據單元的首部增大很多，還要占用許多的處理機資源；UDP提供無連接、不可靠的服務，在傳送數據之前，不需要先建立連接，遠程主機在收到數據報后，不需要做出任何應答。由此，為提高網絡通信的速度，本文選用用戶數據報的方式，即UDP協議[8-9]。

圖2 仿真管理系統通信示意圖

2.2 仿真管理系統軟件設計

仿真管理系統對各分系統的應用程序進行統一調度和管理，其與各分系統的通信按任務劃分，且每個任務都用一個線程來實現，包含飛行系統任務、航電系統任務、教員臺系統任務、操縱系統任務和視景系統任務。軟件設計流程如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

1)系統初始化

系統初始化包含系統相關變量的初始化(如計數器變量)及分配各分系統的UDP端口號和IP地址。以下詳細說明系統人機界面設計、分系統任務創建和分系統的數據處理。

2)人機界面設計

Qt采用面向對象的框架，擁有直觀、強大的API(應用程序編程接口)，因此系統人機界面的設計采用Qt圖形開發工具。從Qt的官網下載最新的基于Linux的qt-sdk安裝包，進入Linux根目錄下，在終端里更改用戶權限，解壓安裝包進行安裝。進入QtCreator，開發仿真管理系統的人機界面。

人機界面的主要功能：顯示仿真管理系統從各分系統接收的數據，向分系統發送經解算后的數據及顯示分系統的連接狀態。因此在界面的設計中選用QTableWidget控件顯示分系統數據，詳細界面設計參看仿真管理系統測試一節。

3)分系統任務創建

為保證飛行模擬器的正常運行，仿真管理系統與各分系統必須協調地工作。仿真管理軟件系統由多任務(進程和線程的統稱)組成，每項任務(由線程實現)負責處理與各分系統的信息交互。

分系統線程利用N-Linux的實時線程來實現，圖4是基于N-Linux的仿真管理系統任務調度實例。操縱系統任務T1、飛行系統任務T2、教員臺系統任務T3、視景系統任務T4、航電系統任務T5的靜態優先級分別為100、90、80、70、60，數值越大表示優先級越高。在飛行員使用飛行模擬器訓練時，若在視景系統任務T4運行中，教練員通過教員臺系統任務T3更改飛行跑道(初始位置)，T3將搶占T4任務而投入運行，但飛行系統任務需結合T3的初始位置信息解算直升機位置，故T2任務被激活，T3任務被搶占，待T2完成時，依次轉入T3和T4任務。

圖4 基于N-Linux的仿真管理系統任務調度實例

同時設定N-Linux時鐘中斷為50μm激活一次，保證仿真管理系統與各分系統實時通信。任務在創建線程的入口函數中采用Qt的信號與槽機制實現UDP數據通信，并顯示在Qt界面中。

4)分系統數據處理

飛行仿真管理系統的主要任務是管理、解算和調度分系統飛行數據。以飛行系統為例，圖5為仿真管理系統處理飛行數據流程。

圖5 仿真管理系統處理飛行數據流程圖

在圖5中，由于各系統使用的坐標位置不同，因此仿真管理系統需將接收的數據經解算處理再分發給分系統：教員臺系統(如直升機經緯度)、視景系統(直升機經緯度)、航電系統(如直升機經緯度)、操縱系統(側滑角/操縱配平位置/攻角)。解算公式為：

Lat1=Lat×cosφ+Lng×sinφ+Lat0

(1)

Lng1=Lng×cosφ-Lat×sinφ+Lng0

(2)

hp1=hp+hp0

(3)

psi1=psi+psi0

(4)

其中，φ=π×(-psi0)/180.0，Lat1，Lng1，hp1，psi1分別表示經解算得到的經緯度/氣壓高度/真航向；Lat，Lng，hp，psi分別表示接收飛行的經緯度/氣壓高度/真航向；Lat0，Lng0，hp0，psi0分別表示接收教員臺的初始經緯度/氣壓高度/真航向。

3 仿真管理系統測試

購買saitek公司生產的模擬真實飛行操縱設備的游戲柄(腳蹬、總距操縱桿、周期操縱桿)，搭建模擬的飛行操縱系統，選擇某型飛行模擬器的飛行系統、視景系統、教員臺系統和航電系統用于測試本文開發的仿真管理軟件。實驗環境為一臺x86計算機(windows操作系統)，首先安裝游戲桿的驅動程序，使用自帶的軟件完成游戲桿的測試。系統的測試環境如圖6所示。

圖6 系統的測試環境

仿真管理系統的測試界面見圖7。

圖7 系統測試界面

其測試步驟如下：

第1步：使用joyGetNumDevs()函數獲取當前系統支持的游戲設備數量。

第2步：使用joyGetPos()函數/ joyGetPosEx()函數獲取游戲桿設備的坐標位置。

第3步：采用QT for windows開發平臺，并利用第1、2步中的函數完成操縱系統測試軟件的開發，如圖7(a)所示，操縱系統界面中包含腳蹬、俯仰、橫滾和總距4個操縱量。

第4步：編寫操縱系統網絡通信代碼，即利用UDP的writeDatagram()函數并啟動定時器定時向仿真管理系統發送操縱桿量。

第5步：仿真管理系統界面如圖7(b)所示，從圖中可以看出，接收的操縱數據與游戲桿的變化量一致；同時，分系統狀態欄中顯示操縱系統處于連接狀態，正在通過UDP協議實時接收操縱系統的操縱桿量。

第6步：最后，結合某型飛行模擬器的其他分系統測試此仿真管理系統。

問題：在飛行的過程中，出現卡屏現象。

分析：使用QTableWidget控件顯示飛行數據時，涉及到QString變量與Double量的轉化，然而在轉化時直升機的經緯度精度降低，導致視景系統接收的直升機位置不連續。

解決：采用QString::Number(latitude/longitude ,"g", n)強制提升精度。其中latitude/longitude為直升機經緯度；n表示精度位數，這里n=11即可。

因此，通過測試驗證了本文設計的飛行仿真管理系統在實時性、穩定性方面都滿足要求。

4 結論

本文利用Linux開源操縱系統、Qt圖形開發工具開發出成本低且實時性好的飛行仿真管理系統。由于飛行模擬器采用Windows操縱系統作為其飛行仿真管理系統的應用平臺，其實時性不是很理想，針對實現Linux實時性所要解決的關鍵問題，提出改進Linux內核的方案N-Linux，以滿足系統對實時性的要求。然后提出飛行仿真管理系統軟件設計方案，包括人機交互界面的設計、分系統線程的建立和分系統數據管理、解算和調度，搭建模擬的操縱系統。選用某型飛行模擬器分系統測試仿真管理系統，驗證了飛行仿真管理系統的實時性和穩定性都滿足要求，現已應用在多種型號模擬器上。

[1] 李 林，等.飛行模擬器[M].北京:北京理工大學出版社,2012:1-4.

[2] 閻鋒欣，等.C++ GUI Qt4編程[M].北京：電子工業出版社，2008.

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[6] BARABANOV M, YODAIKEN V. Introducing real-time Linux [J]. Linux Journal, 1997 (34):19-23.

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[8] Drude P. Theory of Optics[M]. New York:Dover,1959.

[9] 劉 暢，彭楚武. Linux下UDP編程實例[J].儀表技術.2005(4):62-64.

Flight Simulation Management System Research and Design Based on Qt/Linux

ZHU Ling1，WAN Cai2

(1.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China;2.Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072,China)

Windows system was used as the application platform of flight simulation management system, in some case, the real-time performance was not ideal. In order to solve the above problem, the Linux open source operating system and Qt graphical development tool were used as a development platform, a low cost and good real-time flight simulation management system was designed: first, the real-time performance of Linux kernel was set up; then, the software design of this system was proposed including the man-machine interface design, subsystem data management scheduling and subsystem thread creation; finally, the simulation management system was tested, the simulation results show that the simulation management system had good reliability and real-time.

flight simulation management system; Linux operating system; Qt; the real-time performance

2014-09-17

朱 嶺(1986-)，女，吉林省前郭人，碩士，設計員，主要研究方向：飛行模擬器仿真管理系統。

1673-1220(2015)01-034-05

文獻標識碼： A