民用直升機模擬機教員臺的設計與實現

常志強+顧宏斌

摘要：教員臺系統（IOS—instructors operating Station）作為直升機飛行模擬機的一部分，也是整個直升機模擬機的指令中心。依據直升機模擬機功能特性分析，研制了直升機飛行模擬機的教員臺系統。本文研究了直升機模擬機教員臺系統的總體結構、構造原理和人機交互界面，并且開發了一套針對直升機的常規訓練科目和特定故障的直升機飛行故障數據庫系統。實際應用情況表明，該教員臺系統很好的滿足直升機模擬機的使用要求。

關鍵詞：直升機飛行模擬機；教員臺；直升機故障數據庫

中圖分類號：V226+.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0167-04

直升機與固定翼飛機在飛行方式、操縱方式和任務使命上存在著顯著區別，在研制其飛行模擬機上也有著特殊的需求。直升機模擬機與飛行模擬器在整體設計結構和用途上有著高度的相似方面，但是，由于直升機其獨特的操作方式、飛行性能和飛行環境的顯著差異，因此直升機模擬機的設計要求和功能需求也有著明顯。一臺合格的直升機飛行模擬器必須能滿足特定的相關訓練功能和模擬飛行要求，而模擬機是通過教員臺選擇訓練項目、設置飛行參數和控制環境參數，實現控制整個模擬飛行過程。可以說教員臺是直升機模擬機滿足最初的設計要求，實現應用需要的最關鍵的一個環節。

飛行仿真（Flight Simulation）是系統仿真學科的一個重要組成部分，直升機模擬機是一個典型的人在回路中的仿真系統[1]。直升機模擬機在直升機的設計、研制、試飛過程中都起著著關鍵的作用，尤其可以應用在飛行員日常飛行訓練上。

1 直升機模擬機教員臺系統總體結構

直升機和固定翼飛機在飛行特點和操縱方面來有著顯著的區別，所以在研制其飛行模擬器也有著特殊的要求。在駕駛員操縱方面，直升機駕駛員通過中央周期變距桿、腳蹬和總槳距桿對直升機飛行控制，并且直升機縱、橫、航和總距通道的任一操縱都會引起其它方向的耦合運動，因此對直升機的操縱一般比固定翼大飛機困難許多[2]。

直升機模擬機的仿真模型計算機通過飛行動力學模型和運動方程，解算出直升機運動及姿態等性能數據及飛行員對直升機的操作響應參數，最終將實時的飛行參數和響應狀態數據傳輸到儀表顯示系統、視景系統、自動駕駛系統、運動系統、通訊系統中，并將各系統的操作響應反饋給飛行員，從而完成直升機飛行模擬整個過程，如圖1所示。

教員臺系統由控制模塊和交互模塊組成，其中控制模塊是整個教員臺系統的控制模擬仿真的中心；交互模塊則是模擬機與人的交互接口，如圖2所示。教員臺系統作為直升機模擬機整體的控制中心，教員臺與直升機模擬機其他模塊之間必然有著指令交互。通過對各種指令來控制系統的運行，實時監控、分析飛行模擬器的運轉狀態和飛行過程。教員臺主要與直升機模擬器負責整個網絡數據交互的仿真模型計算機進行數據通信，由仿真模型計算機將數據進行計算傳輸。教員臺整體框架是基于Windows7操作系統，界面采用Qt軟件進行編譯，采用UDP傳輸協議，通過以太網和直升機模擬機其他系統進行連接。交互模塊具備了教員臺所有的常用功能和緊急功能，常用功能能夠方便地控制模擬機的運轉狀態；緊急功能則能保障對直升機模擬機和其系統出現意外情況時應對。使用人員可以通過教員臺的交互模塊來完成監控模擬機運行狀態和指導、管制和監督飛行員訓練。操作員通過教員臺交互模塊完成對直升機模擬機運行情況的實時調節，并實時反饋和備份直升機狀態、飛行狀態、機載模型運行狀態。

2 教員臺的功能需求分析

作為直升機模擬機的控制中心，教員臺的功能是根據直升機模擬機的整體功能來搭配設計的。首先要考慮最基本的要求，人性的控制功能、準確的信息顯示、齊全的訓練功能和簡單便利的操作，最重要的是還要在使用功能上完美契合整體模擬機的運行。這里把教員臺的功能主要分為四個部分，基本設置功能、顯示功能、訓練控制功能、和其他輔助功能，如圖3所示。

基本設置功能作為模擬機教員臺系統的功能中最為核心功能，由交互模塊下達指令和控制模塊傳輸出設置參數道直升機模擬仿真中心，基本的設置功能分為直升機模擬參數設置、環境參數設置和訓練科目設置。（1）直升機模擬參數設置是對直升機狀態參數和位置參數的配置。直升機狀態參數包括燃油量，直升機總重、重心，括油門桿、總槳距位置參數等；模擬機狀態設置有模擬機的運行、維護和更新。另外，為了系統更加人性化方便平時操作，單獨建立了快速設置按鈕、復位設置按鈕和凍結設置按鈕，我們會在界面交互設計章節具體解釋。（2）環境參數設置主要是氣象環境條件和地理位置設置。氣象環境條件設置值為某次飛行訓練配置天氣條件數據、時間數據，包括訓練時段（黎明、白天、黃昏、夜晚）、風切變、微暴、降雨、降雪、霧、風、云、可見度、海平面氣壓、溫度等[3]。地理位置設置主要是停機坪位置的設定，指在特定的經緯度地點起飛降落，平臺區域的大小、周圍環境變量。（3）訓練科目設置主要分為選擇訓練科目和選擇故障設置。飛行訓練設置主要是針對直升機的正常起、落、航線訓練，還有一些難度大和危險系數高的特殊飛行訓練設置。依據CCAR-60和訓練大綱編譯了基本直升機訓練科目，存儲于的直升機飛行故障數據庫中，使用人員能夠非常方便的選擇和設置訓練科目，并可以修改特定飛參數；故障設置是指由于飛行員操作或飛行環境改變引起的直升機某個部件或者某個系統故障進而一起整個直升機的飛行狀態的異常。在設計原理上模擬故障的狀態能夠由飛行員的不正確操作激活，也可以在教員臺交互界面上進行激活，同理，如果飛行員恰當的操作直升機可該處故障狀態，也可以經過教員臺設置去掉部分或全故障。

顯示功能，是能夠直觀的監視模擬機各系統的運行狀態、可視化的反饋飛行員的操作，可以方便的監視直升機性能參數、環境參數和飛行曲線的變化，如高度、速度、航向、燃油量、姿態和飛行時間等；飛行儀表顯示包括直升機上所有飛行儀表顯示，如無線電高度表、空速表、氣壓高度表、升降速表、油料表和導航儀等儀表的顯示內容的輸出。訓練控制功能，是整個教員臺功能中的核心功能，控制模擬機和其他系統的起動、停止、重放和初始化等[4]。其他輔助功能，是為了實現整體目標功能的其他輔助性結構基礎功能，主要是通訊和接口功能。主要包括教員臺控制模塊與交互模塊之間的通訊功能；教員臺系統與模擬機其他系統之間的信息交互的接口設計。endprint

3 關鍵技術研究

3.1 界面與交互

教員臺可以視為一個軟件包，其應用是管理訓練任務[5]。從這種意義上講，教員臺系統需要提供一個優化的用戶界面使得使用人員能夠高效便捷的使用。教員臺整體界面布局大體上采用左右分塊邊欄的布局，其中在屏幕右邊欄又分為上中下三部分，從上到下分別是基本模擬參數模塊、故障設置模塊和模擬機控制模塊，如圖4所示。基本模擬參數模塊的設置顯示了直接影響模擬飛行的關鍵變量參數，如經度、緯度、空速、爬升率、燃油重量和燃油溫度。中間模塊用來顯示訓練科目的選擇、具體飛行數據、環境參數設置、飛行曲線和氣象參數設置等的選項按鈕，可以進一步交互顯示相關具體詳細信息。最下模塊主要集成了整體模擬機的控制指令按鈕，如程序啟動、暫停、凍結和退出程序等。界面的的左側欄占了大多數空間，可用于顯示對應具體選項的下一步交互指令顯示對象，包括具體的系統參數、航圖顯示、氣象信息參數信息和飛行信息等。

具體的交互設置包括交互層數和輸入輸出的設定。如果選中某項命令，就會打開對話框并根據用戶選擇激活下一層對話框。大部分交互選項不超過3層交互，如果交互層過多很容易迷失方向，由于錯誤選擇會造成深陷其中[6]。在最上層，使用最多的操作包括：教員臺的全局管理、建立直升機的初始飛行條件、選擇氣象、數據記錄和回放和顯示航路相關信息。這些信息選項在右側邊欄是恒定顯示的，之后選定后的第二層、第三層交互信息流動的直接、完全的顯示于左邊框架內，如圖5所示。

在人在的回路交互模型中，需要有相應的輸入方式，這里采用觸摸屏幕的輸入方式，可觸摸屏幕可以很好解決。對于數據的輸入方法針對不同的類型參數選擇不同的輸入方法，如某些數據的數值很大或不需要精確輸入，選擇百分比的比值輸入方法，如直升機燃油油量的數據等。另外一些數據必須要求輸入精確的數值，但需要設置上下限，如風向、迎角等。

3.2 故障設置

故障設置作為整個控制模塊中最核心的邏輯運算部分，同時也是最難實現的關鍵點。實現故障設置的首先條件就是必須對直升機結構功能有相當深刻的理解，尤其是各種系統功能構造之間的會造成相關故障的邏輯關系。例如設置條件故障時，會伴隨有其邏輯解算方法，假如通過交互模塊上輸入了一個條件故障，接下來模擬仿真計算機需要考慮直升機在現實飛行的與設置的故障所有相關的因素，最后將這些因素的影響用邏輯算法和程序代碼表現出來，并且在模擬仿真過程中計算機對相應的因素進行分析計算。在教員臺的控制模塊邏輯中，根據故障所在直升機的系統不同進行歸類的，如液壓系統故障、發動機系統故障、旋翼系統故障等，在每個系統故障又可以分為該故障類的具體故障部位、零件等。就理論上而言在教練員上要能設置真實直升機飛行中所有可能發生的故障，但在實際研究中非常難模擬仿真出理論上全部的可能性故障。依照以上的故障分類方法可以有以下兩種邏輯方式：

（1）實時故障。實時故障就是指在模擬直升機飛行過程中，教員臺上可以實時的進行故障設置，實時的模擬故障效果，當取消故障設置時故障效果即刻恢復。這種邏輯方式的故障在控制模塊的邏輯中很簡單，用代碼1和0就可以解決，其中1表示激活、0表示冷置。（2）條件故障。條件故障的邏輯方式是指在交互模塊上點擊激活故障之后，仍然需要達到的某些預設的觸發條件才能使模擬機模擬故障狀態，預設的觸發條件一般有飛行時間、航程或其它的仿真變量等。當變量變化超過特定的預設值時觸發模擬故障，當模擬機脫離了故障持續階段后故障自動解除，也可以在教練員臺的交互模塊上取消故障。

3.3 故障數據庫

為了管理訓練課目數據和故障設置數據，軟件采用了Qt數據庫控件構建的兩個標準數據庫，分別是訓練科目數據庫和直升機故障數據，具備了數據采集、數據錄入、數據編輯、數據存儲、數據查詢、數據刪除和數據輸出的功能。訓練科目數據庫內容數據主要內容包括模擬飛行訓練科目管理信息、訓練科目數據信息和學習資料等數據。直升機故障數據是通過搜集、分析、整理了近年來所有國內外該直升機機型的飛行故障調查報告，仔細分析、總結造成事故的直接原因，進而分析由直接原因引起的直升機某些系統的故障，最后設計對應的直升機仿真模型中的邏輯變量，來設置相應的故障。應當指出的是，并非所有的直升機事故調查的直接原因都是故障引起的，絕大多數部分事故直接原因是人為因素，還有相當于一部分的事故調查直接原因是違規引起的，其中由于故障引起的事故比例只有不到12.4%。以這些數據作為基本參考開發了一套針該直升機機型的特定的故障事故數據庫，再把可能事故故障類型，故障參數、故障系統，預先存儲于教員臺的飛行故障數據庫中供選擇數據設置。

4 結語

一套簡單、易用、人性化的教員臺系統對直升機模擬機整體的實用性來說至關重要。本文主要介紹了直升機模擬機教員臺系統的總體結構，界面交互、故障設置以及構建飛行故障數據所涉及的關鍵技術，針對性的開發了一套實用性很強的教員臺系統，很好的配套了整體直升機模擬機的開發和應用。

參考文獻

[1]王行仁，賈榮珍.飛行實時仿真系統及技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[2]徐小方.直升機RLO飛行風險分析[J].科技資訊，2014，（10）：214-215.

[3]熊海國，何景峰，馬建明，韓俊偉.面向對象的商用飛行模擬機教員臺設計與實現[J].計算機工程與應用，2010（34）：219-223.

[4]付煒，雷力.全任務飛行模擬機TCAS系統設計與實現[J].系統仿真學報，2013，（08）：317-323.

[5]劉凌宇，王江云，韓亮.飛行仿真器控制臺系統的設計與開發[J].系統仿真學報，2006，（s2）：654-657.

[6]（英）阿勒頓（David Allerton）著.飛行仿真原理（. Principles of Flight Simulation）劉興科譯.[M].北京：電子工業出版社，2013.

Abstract：Instructors Operating Station （IOS） is a part of the helicopter flight simulator， and it is the command center of the whole helicopter simulator. According to the analysis of helicopter simulator's function， an advanced IOS system for helicopter flight simulator has been developed. This paper studies the overall structure， construction principle and the man-machine interface of helicopter simulator IOS system， and a helicopter flight fault database system has been developed for the routine training subjects and specific faults of helicopters The practical application shows that the IOS system can meet the requirement well of helicopter simulator.

Key Words：Helicopter Flight Simulator， Instructor Operating Station（IOS）， Helicopter Flight Fault Databaseendprint