基于SCADE的自動飛行控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

王禹 曹義華

摘 要：飛機飛行的安全性是航空業(yè)發(fā)展的重要課題，自動飛行控制是降低駕駛員工作負(fù)荷，提高飛行安全性的有效途徑。利用高安全性應(yīng)用開發(fā)環(huán)境SCADE，綜合考慮飛機運動安全特性，通過數(shù)據(jù)流程圖，平面狀態(tài)以及安全狀態(tài)機的建模方法，建立了飛機俯仰方向的自動飛行控制系統(tǒng)的模型。通過飛機儀表盤可視化以及襟翼狀態(tài)仿真界面，利用驗證模塊，飛行數(shù)據(jù)測試等手段，完成了模型的可靠性驗證并利用SCAD-KCG生成滿足DO-178B民航A級標(biāo)準(zhǔn)的高可靠性嵌入式實時C語言代碼。

關(guān)鍵詞：SCADE 安全性 自動飛行控制 仿真

中圖分類號：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0003-04

Automatic Flight Control System Design and Simulation Based on SCADE

Wang Yu1 Cao Yihua2

（1.Sino-French Engineer School， Beihang University；2.Aeronautic Science and Engineering School， Beihang University，Beijing，100191，China）

Abstract：Aircraft flight safety is an important topic in the aviation industry development， the automatic flight control is the effective way to reduce pilot workload and improve flight safety.Considering the aircraft movement security features，automatic pitchingflight control system model is set up in a high security SCADE application development environment by the data flow diagram，surface state and safety state machine modeling method.Through designing the dashboard and flap state simulation interface，the reliability of the model validation is completed by using the authentication module and data test.A high reliability embedded real-time C language code which meets the DO-178B grade A standard of civil aviation is generated by SCADE-KCG.

Key Words：SCADE；Safety；Automatic flight control；Simulation

隨著航空業(yè)的發(fā)展，飛機飛行的安全性越來越受到人們的關(guān)注，如何有效減輕駕駛員的駕駛壓力，實現(xiàn)自動飛行控制系統(tǒng)是提高飛機飛行安全性的有效途徑。

傳統(tǒng)的飛機自動控制系統(tǒng)主要通過手工編寫，工作量大，成本高且可靠性差。因此，尋求一種開發(fā)效率高，滿足高安全性要求的飛行控制系統(tǒng)是目前國內(nèi)外的研究熱點。

該文利用SCADE開發(fā)環(huán)境，設(shè)計出一款無人機自動控制系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了飛機儀表盤的可視化以及飛機的自動駕駛控制，建立數(shù)據(jù)庫對模型進行了仿真模擬，驗證了模型的正確性并生成了可編譯的C語言程序。

1 SCADE軟件開發(fā)環(huán)境介紹

SCADE是法國EstereI Technologies公司研制的一個用于開發(fā)的嵌入式軟件的完整的工具包，具有一個高安全性應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，覆蓋了嵌入式軟件開發(fā)中從需求到嵌入式代碼的整個流程，是一個以軟件模型設(shè)計為中心而非傳統(tǒng)的以程序代碼為中心的軟件開發(fā)工具。利用SCADE-KCG生成的程序代碼達(dá)到了DO-178B民航A級標(biāo)準(zhǔn)，具有開發(fā)周期短、安全性高、交互界面好等優(yōu)點。

SCADE的核心是LUSTRE語言，它是一種同步程序設(shè)計語言，適用于反應(yīng)系統(tǒng)的編程。SCADE是基于同步假設(shè)原理，即假設(shè)反映系統(tǒng)的處理速度無限快，系統(tǒng)可以在一個可以忽略不計的瞬間響應(yīng)輸入并產(chǎn)生輸出，利用數(shù)據(jù)流程圖、平面狀態(tài)機以及安全狀態(tài)機進行建模的開發(fā)環(huán)境。數(shù)據(jù)流程圖建模采用面向處理過程的思想來描述系統(tǒng)，平面狀態(tài)機則用于描述簡單的狀態(tài)邏輯切換控制，描述系統(tǒng)的動態(tài)行為，而安全狀態(tài)機提供了順序、優(yōu)先級、層次、并行的狀態(tài)結(jié)構(gòu)，用于處理復(fù)雜的狀態(tài)。無論是平面狀態(tài)機還是安全狀態(tài)機，其面向的都是離散控制系統(tǒng)。

該文綜合利用了這3種建模方式，實現(xiàn)了飛機自動飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真。

2 飛行自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 飛行自動控制的需求分析與整體設(shè)計

飛行自動控制系統(tǒng)主要用于飛行過程中的自動控制，主要由自動駕駛模塊與驗證模塊組成。自動駕駛模塊為飛機自動飛行控制部分的主體，主要分為警示模塊，計算模塊以及控制模塊。驗證模塊主要用于驗證控制系統(tǒng)的合理性，對輸入輸出信息進行對比使結(jié)果保持一致。

對于整個飛機控制系統(tǒng)而言，輸入變量主要有：由機身上傳感器上獲得的機身前大氣壓P0以及機身上大氣壓Pa，迎角Deg，是否展開起落架Train，操縱桿的位置Pos_deg，是否進入自動駕駛狀態(tài)P_A；輸出變量主要有：控制模塊中的升降桿的位置Elevateur，警示模塊中的起飛迎角警示A_Dec，失速警示A_Ecras，降落警示A_Desc，計算模塊中的飛行速度V，爬升角Pente以及飛機飛行的高度h。

2.2 警示模塊設(shè)計

警示模塊主要用于飛機的安全起飛以及降落，主要從以下3個方面進行控制。

（1）對迎角的控制，以防止迎角過大造成的氣流分離導(dǎo)致飛機失速；

（2）對起落架的控制，以防止飛機過于接近地面而使起落架無法展開；

（3）對降落速度的控制，以保證飛機降落的安全性。

由于飛機在飛行過程中可能存在瞬時擾動使得獲取的數(shù)據(jù)存在暫時性的突變，而這會導(dǎo)致對警示模塊中的3個分量的準(zhǔn)確性造成影響，因此引入100 ms的時間控制來對數(shù)據(jù)進行驗證，以保證警示模塊中輸出的結(jié)果滿足實際需求。

2.3 計算模塊設(shè)計

計算模塊主要用于計算飛行速度，飛行高度以及爬升角。

對于飛行高度的計算，根據(jù)某飛機飛行數(shù)據(jù)可以得出壓強，空氣密度與飛行高度之間的關(guān)系如下：

對于飛行速度的計算公式可以根據(jù)Bernoulli方程給出：

對于爬升角的計算公式可以有如下關(guān)系給出：

2.4 控制模塊設(shè)計

控制模塊主要用于控制飛機的操縱系統(tǒng)來實現(xiàn)飛機的飛行姿態(tài)控制。通過控制操縱桿變量使得升降桿移動從而控制飛機的襟翼，達(dá)到飛行姿態(tài)控制的效果。

考慮到計算效率以及飛行的安全性等因素，對于飛行控制模塊的設(shè)計主要從以下幾個方面著手。

（1）假設(shè)操縱桿的移動角度與升降桿移動位移成線性關(guān)系；

（2）升降桿的移動速度不能過快導(dǎo)致襟翼無法及時響應(yīng)以及引起受力突變；

（3）升降桿的位移具有一定限制，從而保證襟翼在一定范圍內(nèi)移動。

出于以上幾點考慮，對控制模塊的設(shè)計如圖2所示。

然而在實際飛行中，自動飛行控制存在一定的不穩(wěn)定性，出于對飛機飛行的安全性考慮，在升降桿的控制上該文還引入了自動飛行控制與飛行員操縱的兩個狀態(tài)，如圖3所示，即在自動飛行控制失效時可切換至駕駛員的操縱狀態(tài)以確保飛機飛行的安全性。

2.5 自動駕駛模塊的總體設(shè)計

綜合警示模塊，計算模塊以及控制模塊的設(shè)計，得出自動駕駛模塊如圖4所示。

2.6 驗證模塊設(shè)計

驗證模塊主要用于驗證模型是否正確，數(shù)據(jù)的輸出是否合理，其返回值為bool型變量，若為true則證明模型的建立正確。

3 數(shù)據(jù)測試與仿真

3.1 仿真模塊設(shè)計

SCADE Display模塊是基于人機界面（HMI）顯示，可實現(xiàn)多功能顯示，數(shù)字化儀表以及控制面板等功能的模塊，在航空航天，軌道交通以及汽車工業(yè)上具有很大應(yīng)用。利用SCADE Display模塊，搭建飛行器儀表盤以及襟翼的狀態(tài)，使得仿真結(jié)果可以可視化，以便可以正確讀取飛機目前的狀態(tài)。

飛機儀表盤的搭建如圖5所示，飛機儀表盤的輸入量為自動導(dǎo)航飛行控制系統(tǒng)的部分輸入數(shù)據(jù)以及輸出變量，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換使得數(shù)據(jù)得以可視化。

其中上方的角標(biāo)為飛機飛行的方向，中間為飛機的迎角Deg，右邊的度數(shù)為操縱桿的位置Pos_deg，左邊的飛機飛行的速度V。下方的3個按鈕分別對應(yīng)警示模塊中的起飛迎角警示A_Dec，失速警示A_Ecras以及降落警示A_Desc。

通過連接接口，隨著測試數(shù)據(jù)的不斷變化，儀表盤的數(shù)據(jù)也會隨之相應(yīng)變化，當(dāng)警示生效時，下方的相應(yīng)按鈕會變成紅色。在實際飛行中，通過機身上的傳感器讀出機身的機身前大氣壓P0以及機身上大氣壓Pa，迎角Deg，通過應(yīng)用所設(shè)計自動駕駛模塊以及仿真數(shù)據(jù)接口就可以實時讀出飛機所處的狀態(tài)。

襟翼的狀態(tài)模型搭建如圖6所示，襟翼的狀態(tài)輸入量為升降桿的位置Elevateur，通過襟翼的狀態(tài)顯示，對比飛機儀表盤顯示的數(shù)據(jù)可以得出飛機在不同飛行狀態(tài)下的襟翼的變化。

3.2 數(shù)據(jù)測試

利用某飛機飛行數(shù)據(jù)，創(chuàng)建項目自動飛行控制數(shù)據(jù)庫，為了使模型更具有普遍性，除了引用了飛機整個航程中俯仰運動姿態(tài)的數(shù)據(jù)之外，還加入了偏航運動和滾轉(zhuǎn)運動數(shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。

通過數(shù)據(jù)測試可以得到不同模塊的變化量情況，圖7為截取的飛機起飛階段的部分?jǐn)?shù)據(jù)測試數(shù)據(jù)變化的情況。利用之前建立的驗證模塊的數(shù)據(jù)返回值true可以得到模型的正確性，同時在數(shù)據(jù)測試與仿真的過程中，可以觀測到儀表盤上數(shù)據(jù)的變化以及襟翼的變化，進一步驗證了模型的準(zhǔn)確性。

此外，SCADE軟件還提供了數(shù)據(jù)的檢測功能，可以直接得出數(shù)據(jù)的覆蓋范圍通過自動生成的報告結(jié)果顯示，檢測數(shù)據(jù)覆蓋了自動控制系統(tǒng)的所有模塊，符合數(shù)據(jù)測試的標(biāo)準(zhǔn)，驗證了測試數(shù)據(jù)選擇的有效性。

4 代碼生成與實現(xiàn)

在仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)測試的基礎(chǔ)上，利用SCADE-KCG生成C語言代碼，該代碼滿足DO-178B民航A級標(biāo)準(zhǔn)。

由于本研究的模型中的節(jié)點較多，因此取其中部分C語言程序進行說明。

計算模塊中的爬升角計算C代碼生成如下所述。

voidCalculPente_reset（outC_CalculPente *outC）

{outC->init = kcg_true；

DERIV_reset（&outC->_1_Context_1）；

INITIALISATION_reset（&outC->Context_1）；}

voidCalculPente （kcg_real h， kcg_real V， outC_CalculPente *outC）{

kcg_realtmp；

kcg_bool tmp1；

outC->_L2 = V；

outC->_L11 = 0.0；

outC->_L12 = outC->_L2 > outC->_L11；

outC->_L9 = 0.0；

tmp1 = outC->_L12；

outC->_L1 = h；

outC->_L6 = 1.0；

INITIALISATION（&outC->Context_1）；

outC->_L7 = outC->Context_1.Bool_Init；

DERIV（outC->_L1， outC->_L6， outC->_L7， &outC->_1_Context_1）；

outC->_L3 = outC->_1_Context_1.S1；

if （tmp1） {outC->_L8 = outC->_L3 / outC->_L2；}

else {if （outC->init） {tmp = outC->_L9；}

else { tmp = outC->_L8；}

outC->_L8 = tmp；}

outC->_L5 = /* 1 */ ASIN（outC->_L8）；

outC->Pente = outC->_L5；

outC->init = kcg_false；}

從爬升角的計算模塊中生成的C語言代碼可以看出，SCADE生成的C語言代碼是以函數(shù)的形式給出的，函數(shù)的名字為設(shè)計過程中節(jié)點的名字，參數(shù)為一個結(jié)構(gòu)體指針，結(jié)構(gòu)體元素包含該節(jié)點的輸入和輸出變量。

5 結(jié)語

SCADE開發(fā)環(huán)境由于具有低成本，高開發(fā)效率以及高安全性等特點，在航空航天，汽車電子等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，其安全性能已經(jīng)被空中客車，歐洲直升機等公司采用，具有很好的效果。

該文利用SCADE開發(fā)環(huán)境，考慮到飛機飛行安全中的各種因素，綜合利用3種建模方式對自動飛行控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，綜合了SCADE中的嵌入式系統(tǒng)理念，LUSTRE語言，反應(yīng)式以及同步假設(shè)等優(yōu)點，保證了控制系統(tǒng)的可靠性，并生成了符合DO-178B民航A級標(biāo)準(zhǔn)的C語言代碼。

通過選取樣機數(shù)據(jù)以及對系統(tǒng)的仿真，建立了飛行器儀表盤以及飛機襟翼的可視化模型，驗證了自動飛行控制系統(tǒng)的正確性。

由于實際飛行中的飛機操縱系統(tǒng)更為復(fù)雜，本研究主要基于飛機的俯仰方向控制，對飛機的偏航控制以及滾轉(zhuǎn)控制并沒有深入研究，沒有考慮飛機的穩(wěn)定性能，對尾翼以及其他操縱部件的控制還亟待解決。

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