飛行模擬機(jī)機(jī)械式仿真儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

■ 李會茹 陳又軍 黃歡/中國民航飛行學(xué)院模擬機(jī)訓(xùn)練中心

0 引言

隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)模擬機(jī)訓(xùn)練中心日益增多，訓(xùn)練模擬機(jī)的數(shù)量和模擬機(jī)的訓(xùn)練時(shí)間呈突進(jìn)式增長，隨之帶來的模擬機(jī)儀表備件消耗量十分巨大，而目前模擬機(jī)的生產(chǎn)商主要為CAE、TRU和L3等國外廠商，導(dǎo)致備件訂購和維修時(shí)間長，所費(fèi)金額較大。

模擬機(jī)上的儀表可以是飛機(jī)真件也可以是仿真件，飛機(jī)真件一般價(jià)格昂貴，一旦出現(xiàn)故障需要送往專門的維修機(jī)構(gòu)維修[1-3]。

仿真儀表是指對飛機(jī)儀表的原理性進(jìn)行仿真，依靠內(nèi)建的軟件算法和參數(shù)設(shè)定來模擬真實(shí)儀表顯示的設(shè)備[4-5]。仿真儀表分為圖形式儀表和機(jī)械式儀表。機(jī)械式儀表是指由機(jī)械裝置驅(qū)動的儀表，如地平儀、電壓表、電流表，由電機(jī)驅(qū)動儀表完成顯示。

新的法規(guī)規(guī)定，三維儀表（如機(jī)電儀表）的電子顯示圖像應(yīng)具備與飛機(jī)儀表相同的三維景深，從主要操作人員的位置觀察模擬機(jī)儀表時(shí)，應(yīng)復(fù)現(xiàn)與觀察飛機(jī)儀表時(shí)相同的外觀，包括因觀察角度和視差所導(dǎo)致的儀表讀數(shù)不準(zhǔn)確度。共用儀表上的觀察角度誤差和視差應(yīng)最小化，如發(fā)動機(jī)顯示和備用指示器等。

由于圖形儀表是完全的虛擬儀表，不能顯示視覺上的誤差，為了滿足法規(guī)要求，未來仿真儀表勢必為機(jī)械式儀表。

1 機(jī)械式仿真儀表工作原理

機(jī)械式航空仿真儀表采用數(shù)字信號處理器、步進(jìn)電機(jī)以及外圍電路來實(shí)現(xiàn)儀表的仿真顯示。機(jī)械式航空儀表通常分為兩類，一類是非指針式儀表，如地平儀、水平狀態(tài)指示儀，一類是指針式儀表，如空速表、電壓表等。指針類航空儀表的應(yīng)用最為廣泛，數(shù)量較多。同時(shí)，指針式儀表還可通過更改表盤，快速改裝為同系列的其他儀表[6]。

機(jī)械式儀表設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部件為步進(jìn)式電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或者線位移輸出，用來驅(qū)動連接的執(zhí)行元件（如儀表指針）[7]。一般，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度來控制角位移輸出值[8]。當(dāng)脈沖信號的頻率太快，步進(jìn)電機(jī)會產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象，需要由電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行控制。電機(jī)驅(qū)動器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出方向指令和脈動指令，步進(jìn)電機(jī)接收到信號并對之處理后，驅(qū)動執(zhí)行元件指針的旋轉(zhuǎn)量。此外，執(zhí)行元件會向電機(jī)驅(qū)動器反饋信號，進(jìn)而呈現(xiàn)理想的輸出值。步進(jìn)電機(jī)類指示器需要回零，對于360°旋轉(zhuǎn)的儀表，可以采用光電傳感器回零位；對于轉(zhuǎn)動角度低于360°的儀表，通過安裝止位卡銷，利用碰撞檢測實(shí)現(xiàn)回零。

2 仿真設(shè)計(jì)

本文以座艙壓力表的仿真設(shè)計(jì)為例進(jìn)行闡述。由于真實(shí)飛機(jī)上的座艙壓力指示儀表是根據(jù)真實(shí)飛機(jī)上的座艙系統(tǒng)的供給量完成顯示的，因此座艙壓力指示儀表的飛機(jī)真件不能直接用在模擬機(jī)上，模擬機(jī)上的座艙壓力指示儀表必須是仿真件。

2.1 座艙壓力指示儀表設(shè)計(jì)框圖

分析某機(jī)型飛機(jī)座艙指示儀表工作狀態(tài)，儀表指示在0～300°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，最小刻度1°，表內(nèi)有黃光照明。

根據(jù)儀表設(shè)計(jì)原理，仿真儀表設(shè)計(jì)采用微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動儀表來獲得合適的指示。步進(jìn)電機(jī)在脈沖作用下轉(zhuǎn)動，通過反相器實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。步進(jìn)電機(jī)的工作電流較大，前一級接入驅(qū)動電路，并由數(shù)字信號處理器采集信號，通過接口電路與飛行控制主計(jì)算機(jī)連接。儀表的復(fù)位及零位檢測采用光電傳感器。工作原理見圖1。

2.2 座艙壓力指示儀表設(shè)計(jì)電路圖

仿真電路的具體實(shí)現(xiàn)見圖2，儀表的內(nèi)部驅(qū)動電路由雙線圈的電機(jī)驅(qū)動，指示儀表由±15VDC電源驅(qū)動，放大器將信號放大，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)帶動指示器的指針轉(zhuǎn)動。當(dāng)正弦信號為零、余弦信號為最大值10V時(shí)，儀表處于指示的零位。二極管和電容組成保護(hù)電路，以防止無意中錯(cuò)連電源電壓而可能造成儀器的損壞。

2.3 座艙壓力指示儀表設(shè)計(jì)角度計(jì)算

由于儀表的刻度為非線性分布，表盤也是非線性分布，需要將電壓輸入值轉(zhuǎn)化為D/A的模擬值進(jìn)行輸出，使儀表指針顯示到合適的刻度。在儀表設(shè)計(jì)過程中，分析了10位數(shù)據(jù)和12位數(shù)據(jù)的儀表顯示精度，一般而言12位數(shù)據(jù)的顯示精度可以滿足絕大數(shù)的儀表顯示需求。本實(shí)例中采用12位數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。表1列出了計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)角度、輸入電壓值和D/A輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系。

2.4 座艙壓力指示儀表設(shè)計(jì)軟件構(gòu)架

當(dāng)仿真儀表有外部電源輸入時(shí)，系統(tǒng)開始進(jìn)行自檢，指針指示到初始位置[4]，等待接口電路傳送的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)判斷是否需要轉(zhuǎn)動，如果步進(jìn)數(shù)大于1，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，完成一次轉(zhuǎn)動后，電機(jī)等待下一次串口數(shù)據(jù)，繼續(xù)此循環(huán)。軟件流程圖見圖3。

圖1 儀表指示器的工作原理

表1 旋轉(zhuǎn)角度、輸入電壓值和D/A輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系

圖2 仿真儀表電路設(shè)計(jì)原理圖

圖3 仿真儀表軟件流程圖

2.5 座艙壓力指示儀表校準(zhǔn)

儀表受長期累積誤差或者溫度濕度影響，需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)。儀表設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，開發(fā)人員制作了校準(zhǔn)文檔，模擬機(jī)維護(hù)人員按照儀表校準(zhǔn)程序[10]可以在校準(zhǔn)文檔中更改參數(shù)，完成儀表的校準(zhǔn)工作。儀表校準(zhǔn)遵循的原則為：對校準(zhǔn)曲線上異常變化的點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)；觀察儀表指示范圍，儀表指示的最大值和最小值必須在儀表指示范圍內(nèi)。

根據(jù)模擬機(jī)維護(hù)手冊要求，每12個(gè)月應(yīng)對機(jī)械式仿真儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，若懷疑指示有誤差時(shí)必須進(jìn)行校準(zhǔn)[10]。機(jī)械式儀表產(chǎn)生誤差有多種原因，包括：指針受重力影響而產(chǎn)生指示誤差；指針在轉(zhuǎn)動過程中每一點(diǎn)的力矩不一樣，產(chǎn)生指示誤差；合成電機(jī)的線圈不均勻，使電機(jī)驅(qū)動儀表指針時(shí)產(chǎn)生誤差。

3 儀表傳輸延遲測試

儀表傳輸延遲時(shí)間在民航CCAR-60部法規(guī)中有明確要求，對于飛行訓(xùn)練器來說，儀表顯示延遲時(shí)間需小于300ms；全動飛行模擬機(jī)的儀表顯示延遲時(shí)間需小于150ms（最新咨詢通告為100ms）[11]。將仿真的儀表安裝到CJ1飛行模擬機(jī)上進(jìn)行儀表傳輸延遲測試，通過連接在某一塊或者多塊虛擬儀表顯示器上的光電傳感器來完成測量。圖4所示為使用光電傳感器檢測儀表亮度變化時(shí)的工作原理圖。測試機(jī)械式仿真儀表時(shí)可以去除該光電傳感器，將機(jī)械式儀表位置反饋電位器輸出端連接電路中光電傳感器端。圖5則是儀表傳輸延遲測試盒。

圖6是CJ1 訓(xùn)練器使用駕駛桿輸入橫滾信號時(shí)儀表傳輸延遲的測試結(jié)果，可見儀表響應(yīng)時(shí)間為104ms，該結(jié)果滿足新CCAR-60部飛行模擬訓(xùn)練器器咨詢通告的要求，因此，可以將所仿真的儀表用于該模擬訓(xùn)練設(shè)備。

圖4 光電傳感器工作原理圖

圖5 光電傳感器套件

圖6 ROLL響應(yīng)傳輸延遲測試結(jié)果

4 結(jié)論

機(jī)械式仿真儀表具有真件不可比擬的成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，其研發(fā)也相對容易。應(yīng)用于模擬機(jī)時(shí)，日常維護(hù)操作容易、維修程序簡單。同時(shí)，仿真儀表具有強(qiáng)大的擴(kuò)展性，通過軟硬件移植再創(chuàng)建，可以快速仿真成為與其相類似的仿真件，還可經(jīng)過改裝后在虛擬程序練習(xí)器（Virtual Program Trainer，VPT）中使用。