侯學(xué)暉

摘要：為了減少飛行控制算法的開發(fā)周期和費(fèi)用，同時(shí)驗(yàn)證飛行控制的可行性，筆者設(shè)計(jì)了飛行控制算法演示驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)分模擬駕駛艙子系統(tǒng)和視景子系統(tǒng)，分別用于模擬駕駛艙內(nèi)和艙外的飛行控制及顯示，實(shí)現(xiàn)為飛控算法提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境的目的，包括提供操縱信號(hào)、顯示飛行數(shù)據(jù)及飛行場(chǎng)景的功能。該系統(tǒng)可用于飛控算法仿真分析、算法調(diào)試、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及算法演示等研發(fā)、推介全過程。

關(guān)鍵詞：模擬? 駕駛艙? 視景 飛行控制

中圖分類號(hào)：V233.7? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1672-3791（2022）06（b）-0000-00

飛行控制算法一直是各種機(jī)型研制的關(guān)鍵問題，尤其20世紀(jì)以后，隨著其他航電產(chǎn)品的發(fā)展，飛行控制算法還關(guān)系其他各先進(jìn)機(jī)載設(shè)備的研制，比如近地告警、空中防撞等設(shè)備，而這些算法的研制過程中試驗(yàn)成本過高，突發(fā)情況較大，耗費(fèi)過大的人力、物力且不利于取得進(jìn)展。因此，一套逼真的演示驗(yàn)證環(huán)境就顯得格外有價(jià)值，不僅可以節(jié)省時(shí)間和成本，而且能夠保證試驗(yàn)人員的人身安全，還能夠較為真實(shí)地模擬出飛行環(huán)境，進(jìn)而成功驗(yàn)證更先進(jìn)的算法。

1總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括模擬駕駛艙子系統(tǒng)和視景子系統(tǒng)，其中模擬駕駛艙子系統(tǒng)主要用于模擬真實(shí)的飛行操縱功能，給飛行控制算法提供操縱數(shù)據(jù);視景子系統(tǒng)用于模擬飛行時(shí)通過駕駛艙看到的外界場(chǎng)景模擬，接收來自飛行控制算法的飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)[1]。系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)如圖1所示。

2分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1視景子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視景子系統(tǒng)包括視景系統(tǒng)顯示硬件、計(jì)算機(jī)及視景系統(tǒng)軟件。

2.1.1視景系統(tǒng)顯示硬件

視景系統(tǒng)顯示硬件采用14塊55英寸的OLED柔性拼接屏實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的電子屏幕相較于投影系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是不需要密閉的暗室環(huán)境，缺點(diǎn)是直屏拼接沉浸感較差。OLED柔性拼接屏恰好彌補(bǔ)了以上缺點(diǎn)，兼顧了光線和沉浸感的需求。

OLED柔性拼接屏是一個(gè)開放型的曲面顯示器，其擁有的可拓展和可彎曲的性能，可以適應(yīng)不同空間大小和形狀要求。曲面設(shè)計(jì)擁有的空間利用效率，其可拓展和可彎曲的性能使它可以被設(shè)計(jì)成各式各樣的造型，通過便捷的安裝，即可產(chǎn)生令人矚目的效果。顯示硬件7+7的布置，保證中間飛行操作人員正中間的屏幕的完整性，提供了左右180°，垂直55°的視場(chǎng)角，滿足了一般飛行試驗(yàn)的要求[2]。

2.1.2視景系統(tǒng)計(jì)算機(jī)

視景系統(tǒng)計(jì)算機(jī)主要用于駐留視景軟件，選用當(dāng)前主流商用工作站，需配置高性能顯卡，以防止出現(xiàn)丟幀、卡頓的現(xiàn)象。

2.1.3視景系統(tǒng)軟件

視景系統(tǒng)軟件基于全球地形數(shù)據(jù)，采用WGS-84坐標(biāo)系建立高精度多分辨率的完整三維數(shù)字地球，通過三維資源動(dòng)態(tài)調(diào)度、動(dòng)態(tài)渲染等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低資源占用的情況下從全球尺度到局部地區(qū)細(xì)節(jié)的流暢過渡與顯示，提供無邊界視野漫游，實(shí)現(xiàn)海、陸、空、天一體化的視景仿真，同時(shí)完美支持超大分辨率大屏、小間距LED立體、多通道立體投影、VR/AR設(shè)備等多種顯示外設(shè)。軟件特性包括：全球地形數(shù)據(jù)庫、真實(shí)高程和紋理數(shù)據(jù)以及高度開放性。基于以上特性，可以為機(jī)載產(chǎn)品提供算法驗(yàn)證的定制化服務(wù)。

針對(duì)復(fù)雜天氣情況下的驗(yàn)證環(huán)境，視景軟件提供了氣象模塊，可以自動(dòng)化創(chuàng)建任何時(shí)間任何地點(diǎn)的天空、體積云和天氣，在給定時(shí)間地點(diǎn)的情況下快速地自動(dòng)化生成精確的天空效果。其中真實(shí)的大氣霧模式是一種透過地球大氣的光散射的近似現(xiàn)象，可以提供不同渾濁度及不同海拔的效果[3]。體積云作為一種先進(jìn)的粒子云技術(shù)，可以提供云生成、消散及隨風(fēng)移動(dòng)的過程，可以提供不同形態(tài)、不同角度的云層，所形成的云各不相同。以上復(fù)雜多變的可定制化氣象條件，可用于為機(jī)載設(shè)備提供特殊天氣的模擬。

視景軟件的定制化繪制特性可以接收外部的場(chǎng)景信息和態(tài)勢(shì)信息，實(shí)時(shí)顯示障礙物、威脅區(qū)域，目標(biāo)作用范圍、通訊路線等;接收外部驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的飛行信息，實(shí)現(xiàn)顯示飛行軌跡線、姿態(tài)面、軌跡剖面[4]。

定制化的視景軟件效果如圖2所示。

2.2模擬駕駛艙子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模擬駕駛艙子系統(tǒng)包括模擬駕駛艙臺(tái)架、虛擬儀表計(jì)算機(jī)及虛擬儀表軟件。

2.2.1模擬駕駛艙臺(tái)架

模擬駕駛艙臺(tái)架是模擬駕駛艙的硬件主體部分，包含臺(tái)架結(jié)構(gòu)、模擬操縱件、飛行面板觸摸屏、座椅等安裝功能，具備相關(guān)電路和通信線路的走線功能。

臺(tái)架結(jié)構(gòu)采用單側(cè)半段滑軌形式，進(jìn)出便捷。臺(tái)架底部使用4個(gè)福馬輪支撐，方便移動(dòng)與固定。福馬輪具有防滑靜音、耐磨耐用、實(shí)心加厚、承重力強(qiáng)、穩(wěn)定牢固的優(yōu)點(diǎn)。并為每臺(tái)座艙額外配備4個(gè)支撐腳杯，用以分散座艙壓力，保護(hù)實(shí)驗(yàn)室底板。

模擬操縱件包含飛行操縱桿、油門桿和腳舵，飛行操縱桿與油門臺(tái)安裝選用圖馬思特（THRUSTMASTER）A10C。腳舵安裝按選用圖馬思特（THRUSTMASTER）TPR腳舵[5]。

飛行面板觸摸屏選用23.8英寸觸摸屏顯示器，支持10點(diǎn)觸控，用于飛行仿真儀表的顯示。

座椅設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下因素：駕駛員坐姿肩部高度、駕駛員坐姿人體最大寬度、駕駛員坐姿肘部平放高度、駕駛員坐姿臀部寬度、駕駛員坐姿大腿厚度、駕駛員坐姿膝蓋高度、駕駛員坐姿腿彎高度、駕駛員坐姿臀部至膝蓋長(zhǎng)度、駕駛員坐姿臀部至腿彎長(zhǎng)度等。此外，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際情況，預(yù)留上下左右可調(diào)空間，以滿足不同實(shí)驗(yàn)人員的需求。

人機(jī)視野也是駕駛艙臺(tái)架設(shè)計(jì)中非常重要的一點(diǎn)。駕駛員的眼睛是完成飛行模擬器仿真的主要身體部位。眼睛是視覺器官，眼睛的功能類似于攝像頭，以視網(wǎng)膜為儲(chǔ)存卡，為大腦傳遞出生動(dòng)的影像，所以駕駛員的視覺系統(tǒng)主要核心就是一對(duì)眼睛。因此在設(shè)計(jì)駕駛艙時(shí)，視野和視距設(shè)計(jì)也是重中之重[6]。

綜上，模擬駕駛艙臺(tái)架設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

2.2.2虛擬儀表計(jì)算機(jī)

虛擬儀表計(jì)算機(jī)用于駐留虛擬儀表軟件，選用當(dāng)前主流商用工作站。

2.2.3虛擬儀表軟件

虛假儀表指的是把儀表顯示在屏幕上面然后用屏幕來代替飛行所需的儀表。虛擬儀表軟件開發(fā)工作主要集中在虛假儀表的外觀、指針、滾動(dòng)顯示數(shù)據(jù)條、警告等設(shè)計(jì)與制作。虛擬儀表軟件設(shè)計(jì)符合以下規(guī)范：使用顏色顯示飛行信息便于分辨和識(shí)別重要飛行信息，字符大小能突出重要飛行數(shù)據(jù)，顯示符號(hào)形狀更有助于分辨所顯示的符號(hào)。正常飛行過程中只使用有限的幾種顏色，如綠色、白色、藍(lán)色和品紅色等，而橙色和紅色用于指示緊急處理信息。整體設(shè)計(jì)風(fēng)格應(yīng)統(tǒng)一，相同內(nèi)容出現(xiàn)在不同的顯示區(qū)域應(yīng)保持一致的風(fēng)格。

主飛行數(shù)據(jù)顯示包括以下內(nèi)容：空速刻度帶、游標(biāo)顯示、側(cè)滑指示、航向刻度帶、相對(duì)氣壓高度、絕對(duì)氣壓高度數(shù)值顯示、無線電高度刻度帶、當(dāng)前時(shí)刻、飛行狀態(tài)、航電主模式等[7]。

導(dǎo)航信息包括以下內(nèi)容：導(dǎo)航方式、偏流角、地速、航跡角、風(fēng)速、風(fēng)向、真空速、無線電羅盤、航向選擇類型、下一航路點(diǎn)、應(yīng)飛航向、未飛距離、當(dāng)時(shí)航向數(shù)值顯示、下一航路點(diǎn)預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間。

2.3 系統(tǒng)總體效果

綜上，飛行控制算法演示驗(yàn)證系統(tǒng)總體效果見圖4所示。

3 結(jié)語

該系統(tǒng)模擬了飛行操縱的軟硬件環(huán)境以及駕駛艙外的場(chǎng)景，尤其是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的視景軟件實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)必需的強(qiáng)定制化需求，同時(shí)配備了兼顧成本與適用性強(qiáng)的視景硬件，完整實(shí)現(xiàn)了算法演示驗(yàn)證的目標(biāo)。目前，該系統(tǒng)架構(gòu)已成功應(yīng)用于多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)踐證明可以滿足用戶要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 董鴻鵬，王春財(cái)，張波.飛行模擬器視景系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2018，38（S1）：228-231，235.

[2] 李向陽，汪瀟，張志利，等.基于虛實(shí)結(jié)合的特裝車輛駕駛訓(xùn)練模擬系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2021，33（12）：2919-2934.

[3] 姜霞.飛行視景仿真中若干關(guān)鍵技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)設(shè)備工程，2022（3）：215-216.

[4] 白小亮.飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)途徑探索[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2020，17（9）：2-3.

[5] 張錦思. 實(shí)訓(xùn)型駕駛模擬器訓(xùn)練駕駛行為評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)與視景仿真評(píng)價(jià)探究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2020.

[6] 申正義. 基于人機(jī)工程學(xué)的直升機(jī)飛行模擬器駕駛艙設(shè)計(jì)研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2019.

[7] 孫晶晶.民機(jī)模擬駕駛艙實(shí)訓(xùn)效果評(píng)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（27）：14，17.