开发动态飞行模拟器

　　飞行模拟器是一个由物理模拟环境构成的系统，通常包含机舱和驾驶舱、可重现真实场景的视觉化设备、模拟的人机界面（飞行指令盘）、根据飞行员的动作计算飞行器动力学的飞行器数值模型，以及使飞行员移动的结构。这些结构广泛地使用在专业飞行员训练中，但是高成本使得它们无法应用到非专业飞行员的训练中。专业结构通常包含由液压伺服系统驱动的6自由度的Steward 平台。在本文中，我们提出了可以大幅度削减成本的解决方案，使用3 自由度的气动平台用于运动，而主要使用即时可用的部件来重建机舱和飞行指令盘。

　　很长时间以来，飞行模拟器广泛使用在航空中，用于飞行员的训练。它们通常是基于大型液压的Steward 平台，有着6 个自由度，允许在非常大的操作空间内对运动进行重现。模拟器是使用环境的细节化物理模型实现的，飞行员可以在其中进行操作（机舱、驾驶舱、仪器和飞行指令盘）。在正式承认的训练时段使用模拟器，需要满足JAR规范的要求，并获得身体控制方面的认证。飞行模拟器也被用来训练机载工作人员。在这种训练中的系统，也是基于Steward原理图的，它移动机舱来重现飞机上的乘客区域或该区域的一部分。但是，这些模拟器高昂的成本限制了它们只能应用在大公司或军用航空的训练中心里。它们通常不适合训练私人飞行员，因为每小时的成本比飞行学校和飞行训练机构使用的飞机都要贵。

　　这篇文章中介绍的项目，面向于低成本飞行模拟器的开发，并且可以以模块化的方式添加模拟细节。该平台的应用范围可从最为经济的娱乐专用，直到用于飞行员训练的认证级别。

系统的主要部件是基于HPR 原理的气动并行平台，它有着3 个自由度，可沿着纵轴平移（升降），并且可沿两个横向轴旋转（横摆和纵摆）。构架的选择与【3】中描述的结果一致，该文的作者将使用Stewart平台的两种不同的3自由度并行构架进行了比较（HPR和球形机制）。他们验证了HPR结构在模拟仿真中的性能非常好，适用于进行低成本的训练仿真器。作者开发的系统考虑到了1000N的重量。

模拟器的功能布局

　　飞行员坐在模拟飞行器的机舱（尽最大可能对实际的机舱进行重现）里，同时，主要的飞行指令盘、无线电指令盘以及驾驶舱中主要的飞行仪器都被重现了。

飞行员可以使用模拟指令盘来对飞行器动力学数值模拟器（实际上是Microsoft Flight Simulator 软件）进行输入，该模拟器计算每个时刻的各种飞行参数，如飞行速度、加速度、位置、角转动量、电机参数等等。

　　计算出的数据作为反馈部件的输入，为虚拟飞行员提供了与实际飞行相似的感受。首先，方位信息用于地形模拟，将飞行器放在虚拟的环境中，计算机舱内看到的景色，然后利用合适的媒体（通常是屏幕或投影仪）进行重现。第二，主要飞行参数如速度、高度、电机速度等被显示在驾驶舱的虚拟仪器上。它们可以对飞机上的仪器进行物理重现，也可以在计算机屏幕上进行重现。

上面描述的反馈感受只是视觉上的，它们只是飞行员获得信息的一小部分。系统可以为飞行员提供非视觉化的反馈感受，诸如飞行指令盘上的力反馈，这使得飞行员可以施加与真实飞行状况下相似的力。最后，模拟器包含了一个移动飞行员和机舱的平台，来模拟飞机上的运动感。由于平台的工作空间被限制在较小的区域，那么它的运动将不能和飞机的一样，而运动暗示算法，则可以计算工作空间内的轨迹使得人体感知器官得到与真实飞行相似的感受。

　　这篇文章描述的模拟器布局将使设备的总费用得到最小化，这对娱乐应用非常有用。而且，对相同的系统进行修改，可以实现更为逼真的机舱环境，用于进行飞行员训练认证，来减少训练项目中实际的飞行时间。

　　对系统的逻辑布局进行分析，我们可以区分软件部件（飞行器动力学模型、驾驶舱表示、地形和景色）；一些机电一体化部件包含软件和硬件，如平台和飞行指令盘。Microsoft Flight Simulator 与管理机械的代码（如运动提示算法、平台控制及飞行指令盘的控制）进行交互。

飞　　行指令盘盘包含了提供与指令盘位置成正比的信号的传感器，和产生飞行员感觉到的力的执行器。控制所有机械部件的软件是使用MathWorks 公司的MATLAB Simulink 软件进行开发的。

　　图1 显示了模拟器的逻辑布局。其中有两个硬件部分（平台和飞行指令盘，如操纵杆和踏板），两个网络连接起来的个人计算机，一个用于飞行模拟，一个用于管理硬件部件，以及可以显示到一个或多个屏幕上的视觉输出。Microsoft Flight Simulator 接收飞行员的动作作为输入，由驱动进行适当的管理，计算飞机的轨迹和指令盘表面的力。关于轨迹和力的数据被传递给硬件驱动器。特别的是，轨迹经运动提示算法处理，计算得到平台的运动。而指令盘的表面力由指令盘驱动程序处理，然后产生反馈力。第二台PC 机（Intel Pentium III，650MHz，RAM 256MB，Windows 98 系统）对硬件进行实时控制（XPC 目标），然后通过NI 公司的板卡PCI-6052E 和Lab-PC-1200）连接到传感器和执行器上。

图1.飞行模拟器的逻辑组织结构

 PCI-6052E 电路板连接了六个模拟输入信号—— 3 个反馈位置信号，每个对应于一个执行器；三个平台的位置设定（当模拟器是由操纵杆而不是MFS控制时）；两个模拟输出（两个控制信号用于两个控制阀门和纵横摆自由度），4 个数字输出用于安全制动。Lab-PC-1200 提供了模拟输出用于产生第三个执行器（z 轴）的控制型号。NI公司设备所具有的高度灵活性使我们可以容易地进行系统集成，来包含所有必要的I/O 通道。

控制原理图

　　平台的控制原理图显示在图2 中。平台的位置参考是包含了纵倾（Ψ）、横摆（χ）和高度（z）参考值的向量。在模拟器工作时，这些值是由运动提示算法提供的。参考值由逆运动算法处理，验证与工作空间的相容性， 同时计算出执行器必须达到的位置命令XSETi，以实现特定的配置。计算得到的值是伺服轴的参考值。每个伺服轴由位置闭环进行控制。V1, V2 和V3 是对应于轴1、2、3的、与流量成正比的伺服阀门。每个轴包含了一个紧急制动器，由阀门VBi 通过空气驱动。两个附加的软件模块管理紧急制动和不断检查参考值是否处于工作空间内。接合点安全算法对系统进行控制，使其不要靠近奇异点，在那里接合点处的力会变得非常之大。在没有负载的情况下，测量通带是2.5Hz，在全负载情况下，降低为1Hz。这些结果与用于模拟民用飞机的运动提示算法的最低实现要求是兼容的。

图2.平台控制原理图

结论

　　开发可运动的飞行模拟器， 通过将各种不同的模拟软件（ 如Microsoft Flight Simulator）和相对简单且便宜的硬件进行集成来实现。我们提出的结构甚至包含了向飞行员提供力反馈的指令盘，来增加模拟的真实性。虚拟飞行员的运动是由有3 自由度的气动并行平台实现的，而且对该平台的测试表明，在全负载情况下，可获得1Hz的通带。这个值可以将商用飞机的飞行员在大型操作空间里才能体验到的运动感进行重现。将来，我们将使用PCI-6259M 系列电路板来替换软硬件系统，同时使用LabVIEW Real-Time来开发控制系统。