摘要：建立了一種測試機(jī)制對某型號的工程模擬器駕駛艙操縱器件與視景系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)之間的傳輸延遲進(jìn)行測試，并對傳輸延遲測試進(jìn)行分析。驗證結(jié)果表明，工程模擬器的傳輸延遲符合CCAR60部鑒定準(zhǔn)則模擬機(jī)相應(yīng)等級的要求。

關(guān)鍵詞：工程模擬器；傳輸延遲；測試機(jī)制

DOIDOI：10.11907/rjdk.151242

中圖分類號：TP3-0

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16727800（2015）006003803

作者簡介作者簡介：陳磊（1984-），男，山東菏澤人，碩士，上海飛機(jī)設(shè)計研究院工程師，研究方向為工程模擬器研制與應(yīng)用、飛行仿真技術(shù)。

0 引言

工程模擬器為人在回路的飛行半實物仿真平臺，通過集成能夠形成人感覺的各種物理效應(yīng)設(shè)備[1]，包括視景系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、操縱負(fù)荷系統(tǒng)等，并建立反映飛機(jī)飛行動力學(xué)等被控對象的動態(tài)特性來實現(xiàn)對真實飛行環(huán)境的高逼真模擬。飛行員在工程模擬器中通過操縱駕駛艙控制器件，觀察航電顯示設(shè)備，感受座艙外部視景、運動等來對飛行性能和飛行品質(zhì)、人機(jī)功效、飛機(jī)系統(tǒng)特性等進(jìn)行評價，此外，工程模擬器還可用于對飛行機(jī)組的相關(guān)培訓(xùn)[2]。

工程模擬器主要由飛行仿真系統(tǒng)、飛控仿真系統(tǒng)、駕駛艙控制器件、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等組成[3]，工程模擬器工作原理如圖1所示。

為保證工程模擬器對飛機(jī)及其相關(guān)系統(tǒng)模擬的逼真效果，工程模擬器人在回路的仿真必須實時運行[4]，否則工程模擬器模擬建立的飛行環(huán)境將會與真實飛機(jī)情況產(chǎn)生較大偏差。例如飛行員在工程模擬器操縱駕駛桿時，通過視景獲取的視覺圖像以及運動系統(tǒng)產(chǎn)生的動感應(yīng)該與真實飛行相一致，不應(yīng)產(chǎn)生滯后或者超前的生理反應(yīng)，否則飛行員將會對飛機(jī)的性能和飛行品質(zhì)產(chǎn)生錯誤的判斷和評價，誤導(dǎo)工程設(shè)計人員關(guān)鍵控制參數(shù)設(shè)計，進(jìn)而影響到飛機(jī)的研制。因此，需要確保工程模擬器對飛機(jī)及其相關(guān)系統(tǒng)模擬的逼真效果，工程模擬器人在回路的仿真必須實時運行，否則工程模擬器模擬建立的飛行環(huán)境將會與真實飛機(jī)情況產(chǎn)生較大偏差。例如飛行員在工程模擬器操縱駕駛桿時，飛行員通過視景獲取的視覺圖像以及運動系統(tǒng)產(chǎn)生的動感應(yīng)該與真實飛行相一致，不應(yīng)產(chǎn)生滯后或者超前的生理反應(yīng)，否則飛行員將會對飛機(jī)的性能和飛行品質(zhì)產(chǎn)生錯誤的判斷和評價，誤導(dǎo)工程設(shè)計人員關(guān)鍵控制參數(shù)設(shè)計，進(jìn)而影響到飛機(jī)的研制。所以需要確保由計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、硬件接口、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、 顯示系統(tǒng)等硬件構(gòu)建的模擬器飛行環(huán)境，其對駕駛艙控制器件的輸入信號處理帶來的傳輸延遲時間不會影響模擬器整機(jī)的實時運行。

CCAR60部有對飛行模擬機(jī)為達(dá)到相應(yīng)鑒定等級所必須滿足的信號滯后要求，第60.A.1.3模擬機(jī)最低要求條款規(guī)定運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)和駕駛艙儀表的相對響應(yīng)要密切耦合，以提供綜合的感覺提示，A級飛行模擬機(jī)的響應(yīng)在飛機(jī)開始響應(yīng)的300ms內(nèi)，B、C、D級飛行模擬機(jī)的響應(yīng)在飛機(jī)開始響應(yīng)的150ms內(nèi)。傳輸延遲是操縱輸入和相應(yīng)硬件（例如儀表、運動系統(tǒng)和視景系統(tǒng)）響應(yīng)之間的時間，作為滿足滯后要求的一種替代方法，可用于演示飛行模擬機(jī)系統(tǒng)未超過規(guī)定限制。通過階躍信號的傳輸來測定經(jīng)歷傳輸后的全部延遲，階躍信號傳輸從駕駛員的操縱開始，經(jīng)過操縱載荷電子設(shè)備，并使用握手協(xié)議，按照正確的順序與全部模擬軟件模塊交聯(lián)，最后通過正常輸出接口到達(dá)儀表顯示、運動系統(tǒng)和視景系統(tǒng)。傳輸延時只需在每個軸上測量一次，與飛行條件無關(guān)，不包括模擬航空器自身產(chǎn)生的延遲，應(yīng)分別在俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航方向上至少各完成一次測試，來演示與飛機(jī)滯后響應(yīng)有關(guān)的模擬機(jī)滯后響應(yīng)[5]。

CCAR60部鑒定準(zhǔn)則是飛行模擬機(jī)達(dá)到相應(yīng)等級標(biāo)準(zhǔn)所必須遵循的規(guī)范，工程模擬器目前還沒有相應(yīng)的研制規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，但是在保證飛機(jī)仿真的實時性方面，工程模擬器可以參照飛行模擬機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)來實施。本文建立一種測試機(jī)制對某型號的工程模擬器駕駛艙操縱器件與視景系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)之間的傳輸延遲進(jìn)行測試，并對傳輸延遲測試進(jìn)行分析，驗證工程模擬器的傳輸延遲是否符合CCAR60部鑒定準(zhǔn)則模擬機(jī)相應(yīng)等級的要求。

1 測試機(jī)制

在工程模擬器的操縱器件駕駛桿/腳蹬端施加作用力，當(dāng)駕駛桿/腳蹬位置發(fā)生變化時，將產(chǎn)生電信號經(jīng)角位移采集電路、硬件接口傳輸至主控計算機(jī)，主控計算機(jī)判斷觸發(fā)有效后，將向視景系統(tǒng)發(fā)出指令，使視景投影器的輸出由黑色變?yōu)榘咨?；向航電顯示系統(tǒng)發(fā)出指令，使得電子飛行儀表顯示器輸出由黑色變?yōu)榘咨?；向運動系統(tǒng)發(fā)出指令，使得運動平臺縱向向前以5°/s的速度平移。

對于視景系統(tǒng)及航電顯示系統(tǒng)而言，將角位移傳感器采集并處理后的用于指示駕駛桿/腳蹬位置變化的電平信號以及亮度傳感器采集并處理后的用于指示投影器/電子飛行儀表顏色變化的電平信號均輸出到示波器中，觀察信號在示波器的顯示情況。需要說明的是，角位移采集電路內(nèi)部為分立電子元器件，從駕駛桿/腳蹬變化至角位移采集電路完成轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的延遲相對整個系統(tǒng)的傳輸延遲可忽略不計，亮度傳感器對亮度變化的轉(zhuǎn)換速度相對整個系統(tǒng)傳輸延遲相比亦可忽略不計，因此通過示波器對兩種信號的對比即可得到操縱器件輸入到視景顯示系統(tǒng)和航電顯示系統(tǒng)的傳輸延遲。

對于運動系統(tǒng)而言，將角位移傳感器采集并處理后的用于指示駕駛桿/腳蹬位置變化的電平信號以及運動平臺下加速度傳感器采集并處理的用于指示運動平臺加速度變化的電平信號均輸出到示波器中，觀察信號在示波器的顯示情況。加速度傳感器對運動平臺加速度變化的轉(zhuǎn)換速度相對整個系統(tǒng)的傳輸延遲可忽略不計，因此通過示波器對兩種信號的對比即可得到操縱器件輸入到運動系統(tǒng)的傳輸延遲。

視景顯示系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)、運動系統(tǒng)的傳輸延遲測試原理如圖2、圖3、圖4所示。

2 測試流程

視景顯示系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)、運動系統(tǒng)傳輸延遲測試流程是一致的，具體測試步驟如下：①將光敏傳感器安裝于投影器前或者航電儀表顯示器前，將加速度傳感器安裝于運動平臺上；②按照設(shè)備接口控制文件和傳輸延遲測試原理框圖連接線纜；③配置計算機(jī)系統(tǒng)軟件和示波器；④操作駕駛桿前后動作，使俯仰通道產(chǎn)生觸發(fā)信號，記錄示波器的測試曲線和測量值；⑤操作駕駛桿左右動作，使?jié)L轉(zhuǎn)通道產(chǎn)生觸發(fā)信號，記錄示波器的測試曲線和測量值；⑥操作腳蹬前后動作，使側(cè)滑通道產(chǎn)生觸發(fā)信號，記錄示波器的測試曲線和測量值。

3 測試結(jié)果與分析

按照傳輸延遲測試的具體步驟進(jìn)行測試，分別得到視景顯示系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)、運動系統(tǒng)的傳輸延遲測試結(jié)果。

將示波器記錄的駕駛桿俯仰通道輸入至運動系統(tǒng)、俯仰通道輸入至視景系統(tǒng)、俯仰通道輸入至航電顯示系統(tǒng)，其傳輸延遲測試結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7所示（圖上面的線表示黃色信號，下面的線表示藍(lán)色信號）。

如圖5所示，黃色信號為駕駛桿操縱的觸發(fā)信號，藍(lán)色信號為運動系統(tǒng)的響應(yīng)信號，軟件配置為當(dāng)駕駛桿操縱信號過中點時運動系統(tǒng)開始響應(yīng)，因此可以得出駕駛艙俯仰通道至運動系統(tǒng)的傳輸延遲為73ms。

如圖6所示，黃色信號為駕駛桿操縱的觸發(fā)信號，藍(lán)色信號為視景系統(tǒng)的響應(yīng)信號，軟件配置為當(dāng)駕駛桿操縱信號開始變化時視景系統(tǒng)開始響應(yīng)，因此可以得出駕駛艙俯仰通道至視景系統(tǒng)的傳輸延遲為96ms。

如圖7所示，黃色信號為駕駛桿操縱的觸發(fā)信號，藍(lán)色信號為顯示系統(tǒng)的響應(yīng)信號，軟件配置為當(dāng)駕駛桿操縱信號開始變化時顯示系統(tǒng)開始響應(yīng)，因此可以得出駕駛艙俯仰通道至顯示系統(tǒng)的傳輸延遲為121ms。

以上為駕駛桿俯仰通道分別傳輸至運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)的一次傳輸延遲測試，為了保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對各通道采用多次測試的方法。某型工程模擬器各通道傳輸延遲測試平均值如表1所示。

4 結(jié)語

通過以上測試結(jié)果可以得出，某型工程模擬器的視景系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)傳輸延遲符合CCAR60部D級模擬器傳輸延遲時間不超過150ms的規(guī)定。D級為模擬器鑒定準(zhǔn)則中模擬器所能獲得的最高級別，符合D級模擬器傳輸延遲規(guī)定了意味著某型模擬器能夠滿足人在回路實時仿真的基本要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王維翰.民用飛機(jī)工程模擬器與訓(xùn)練模擬器的區(qū)別[J].軟件導(dǎo)刊，2003（1）：15.

[2] 向立學(xué).工程模擬器是現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計比不可少的工具[J].國際航空，1995（7）：4143.

[3] 王維翰，何大燮.民用飛機(jī)飛機(jī)模擬器總體技術(shù)方案研究[J].上海鐵道大學(xué)學(xué)報，1998（5）：3841.

[4] 王行仁.飛行實時仿真系統(tǒng)及其技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

[5] 中國民用航空總局.CCAR60.飛行模擬設(shè)備的鑒定和使用規(guī)則[S].北京：中國民用航空總局，2005.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫 娟）