基于半實物仿真飛行平臺的飛行記錄系統設計

王健 ，張會新，馬銀鴻，李張倩

（1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

目前國內對于半實物仿真飛行平臺的研究已日趨成熟，其飛行視景仿真［1］、飛行儀表仿真［2］和六自由度模擬座艙［3］等組成部分發展正逐步完善，但基于PC環境的飛行記錄系統［4］中的一些關鍵技術還有待加強。對于基于PC環境的飛行記錄系統的研究，我們正處在“跳遠前的一個深蹲狀態”，起步遲、起點低是客觀事實，但我們一直在為那縱身一躍鉚著勁、蓄著力，國內數十家高校院所和科研機構長期扎根在虛擬現實領域的半實物仿真飛行平臺及其相關設備研究，其中以中科院自動化研究所、哈爾濱工業大學、西北工業大學和北京藍天航空科技股份有限公司（原工業部航空模擬器研究所）等單位為代表。2015年，哈爾濱工業大學翟健宏教授團隊設計的飛行仿真平臺采用了基于面向對象的技術，構建出Windows平臺下應用程序，該平臺具有良好的人機交互界面，實用性較強，但該平臺僅是在視景仿真方面有所進展，并未搭載配套的記錄系統，使得基于該平臺的操縱行為量化分析缺少原始數據的支撐。2016年彭飛等人為了有效提升飛行訓練評估的準確性，減少人為主觀因素所產生的評估不確定性，提出了基于多元時間序列分解距離飛行數據模式匹配算法的飛行訓練評估系統，但是該系統僅僅是依托與其他多元時間序列模式匹配算法的對比實驗，并未采集到真實的模擬座艙操作組件的行為軌跡變化參數，相比于之前的飛行訓練評估系統有了較大提升，但沒有原始數據支撐的評估系統僅是個純軟件評估模型，仍具有較大不確定性。2020年北京藍天公司自主研發的C919試飛仿真平臺［5］具備試飛科目預測與復現、飛行包線與預定飛行點飛行、研發與適航符合性試飛訓練、特殊試飛科目及標準任務飛行等功能，能夠完整復現機載設備的功能、性能，在系統特性、操作方法、顯示內容等多方面為飛行員提供逼真的操作顯示界面，成功地為國產大飛機助力，該平臺所搭載的軟件存儲模型在國內水平居前，但是與國外同等級的飛行仿真平臺記錄系統相比，所能記錄的飛行參數類型遠遠不夠。基于此，本文提出了一種基于半實物仿真飛行平臺［6］的實用性較強、可靠性較高、通用性較好的飛行記錄系統設計。

1 半實物仿真飛行平臺系統設計

本系統通過ARINC664、離散量采集卡采集模擬飛行人員操作時的操作部件的位移［7］、按鍵、開關、告警燈等信息，分析采集數據的方位、操作次序，形成基本操作行為的特征的中間數據集，建立了用于模擬飛行人員操作動作采集所需的硬件設備和環境；集成了飛行儀表仿真、飛行員模擬操控、飛行視景仿真、飛行實時仿真功能；支持接入真實的飛控計算機，實現了“人在回路和飛控在回路”的同時驗證，可作為飛控操縱參數調整的工程級驗證設備使用［8］。系統總體結構設計如圖1所示，系統硬件平臺組成如圖2所示。

圖1 系統總體結構設計Fig.1 Design of the overall structure of system

圖2 系統硬件平臺組成圖Fig.2 Diagram for the composition of hardware platform system

2 系統模型設計及相關通信協議設計

本系統可實現快速控制原型（仿真回路不加入飛控計算機、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量單元）/GPS（全球定位系統）、舵機等硬件，只用六自由度運動平臺來演示飛行器姿態信息）和硬件在回路（仿真回路加入飛控計算機、IMU/毫米波雷達、舵機等硬件，配合RT-Sim PLus管理環境中的仿真工程［9］實現目標機狀態監測、在線修改參數［10-11］、啟停控制、軟件實時存儲功能）兩種形式的仿真。

2.1 基于Simulink的模型設計

系統通過MATLAB/Simulink圖形化建模工具結合Links-RT仿真軟件包進行Simulink下的數學仿真，以便在添加IO模塊之前實現對模型及算法的初步驗證；模型設計后，調用代碼生成工具，將Simulink模型轉換為C代碼，再編譯為.out可執行程序；執行完畢后在RT-Sim PLus管理環境中，根據軟件向導，建立仿真工程，設置仿真目標機屬性，配置監視及保存變量；點擊啟動后仿真開始，代碼自動下載到目標機，并啟動實時運行，與真實設備通過IO硬件進行交互，實現硬件在環半物理仿真。從建模到硬件在環仿真的流程步驟如圖3所示。

圖3 半物理仿真流程圖Fig.3 Flow chart of semi-physical simulation

2.2 六自由度運動平臺設計

本設計中六自由度運動平臺采用剛度大、承載能力強、位置誤差不累計的Stewart結構，基本組成包括兩個平臺和六根支撐桿。其中一個平臺為固定的“基座”（也稱下平臺）；另一個是可移動平臺（也稱活動平臺，上平臺）。兩平臺之間由六根支撐桿以并行方式相連，每個支撐桿的兩端與兩平臺上的受動關節相連。每根支撐桿的末端裝有驅動器，通過同步帶傳動驅使支撐桿伸縮，完成上平臺在三維空間六個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，從而模擬出空間各種運動姿態。圖4為六自由度運動平臺模型示意圖，圖5為系統測試現場六自由度運動平臺實物圖。

圖4 六自由度運動平臺模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of six-degree-of-freedom motion platform mode

圖5 系統測試現場六自由度運動平臺實物圖Fig.5 Physical image of the six-degree-of-freedom motion platform at the system test

2.3 ARINC664 Part7通信

ARINC664規范是基于IEEE標準的用于定義安裝在飛機上的以太網數據網絡最新標準，它被發展為多個部分，其中Part7是航空電子全雙工交換式以太網網絡。由于在多終端系統中，點到點的布線是主要的開銷，本系統采用ARINC664通信來模仿點到點的連接，為飛行仿真平臺提供了一個合適的確定性網絡通信模型，以此來保障系統從源端到接收端數據傳輸的實時性和完整性［12-13］。

本系統中軟件存儲模型通過ARINC664模塊與模擬座艙操控輸入信息（如飛行搖桿、油門桿、開關控制面板、飛行腳舵等模擬指令的輸入）和實時仿真機中的VxWorks仿真模型（如運行飛行器動力學、傳感器及大氣環境等模型）進行數據交換和傳輸，本設計中AFDX［14］數據傳輸幀結構如表1所示。

表1 ARINC664數據傳輸的幀結構Table 1 Frame structure of ARINC664 data transmission

3 系統存儲模型設計

本設計中存儲模型通過ARINC664總線連接各成員設備之后，通過信號發生函數產生不同的參數數據，為了盡量模擬測試參數的逼真度，對其進行了加噪處理。存儲模型接收端口通過總線采集數據的同時根據參數類型對不同的參數采取不同的濾波算法進行濾波處理；預編碼單元對處理后信號數據［15］通過預編碼進行打包組幀；壓縮編碼單元繼續對其壓縮編碼以減少數據傳輸和存儲容量。具體參數類型［16］見表 2，數據存儲容量為 256 GB，連續存儲時間不小于4 h，存儲模式為循環式覆蓋存儲；圖6所示為存儲算法流程圖。

圖6 存儲算法流程圖Fig.6 Flowchart of storage algorithm

4 系統測試

一鍵啟動飛行平臺后，存儲模型軟件進入啟動首頁并自動進行設備連接，消息列表顯示“設備連接成功”，圖7所示為存儲模型啟動首頁。

進入模飛人員操作階段后硬件采集設備開始進行數據采集，軟件存儲模型通過ARINC664模塊對模擬座艙操控輸入信息和實時仿真機［17］中的 VxWorks［18］仿真數據共計 55種飛行參數（參數種類如上表2中所示）進行實時監測和記錄，其中將仿真模型中的經緯度依次配置為 338.330°、298.959°。本次測試中，存儲模型配置本地IP為127.0.0.1、當前端口為53417、目的IP為234.5.6.7、目的端口為53418。圖8所示為飛行數據實時監測界面，圖9所示為仿真平臺飛行數據記錄界面。

圖9 仿真飛行數據記錄界面Fig.9 Recording interface of simulation flight data

表2 飛行數據記錄的參數單詞尾加“S”表Table 2 Parametes of flight data record

圖8中飛行經度顯示為337.436°，飛行緯度顯示為298.169°，剩余參數不一一列舉，依次與配置值對比，可以判定本系統實現了PC環境下的半實物仿真飛行平臺飛行參數測試，為模飛員操作行為告警軟件的開發、告警級別和告警類型的設置及操作行為預警規則的制定提供了對標于飛機黑匣子的原始數據支撐，對基于VR/AR技術的半實物仿真飛行平臺的發展具有較大意義。

圖8 仿真飛行數據實時監測界面Fig.8 Real-time monitoring interface of flight data

5 結論

本文提出了一種基于PC環境的半實物仿真飛行平臺飛行記錄系統設計，飛行平臺一經啟動，系統自動連接并對55種飛行仿真數據進行實時監測并循環記錄，改變了現有的將模飛員的操作行為進行簡單分析、歸類、編碼后，通過與設定標準編碼庫數據進行查詢、比對及時間線匹配的概略評估方式，系統記錄的全面有效且可量化分析的數據為單人飛行訓練、空戰模擬對抗訓練提供了事后精準判讀方式，為半實物仿真飛行平臺的飛行訓練及評估提供了權威“裁判”。