航空驾驶仪表模拟系统的设计与实现

吴 伟，张 毅

（西京学院 研究生部，西安 710123）

航空座舱驾驶仪表模拟系统是为满足航空设备教学实训要求而设计的，用于模拟飞行仪表和发动机仪表的工作条件，实现飞行数据的仿真指示。通过模拟操控飞行姿态，观察仪器仪表在飞行过程中示数的变化，从而使学员初步了解飞机的基本飞行原理及其驾驶技术。

飞行员需要不断地了解飞机的飞行状态、发动机的工作状态和其他分系统如座舱环境系统等的工作状况，以便操纵飞机完成飞行任务，这些信息需要由航空仪表以及相应的传感器等系统提供。文献[1]结合大型运输机综合训练器的研制，提出并建立了实物仪表与虚拟仪表相结合的飞机仪表系统。该系统需要分别对实物仪表和虚拟仪表进行控制，设计过程复杂、开发成本高。由于模拟器大量采用仿真仪表，如何处理驱动、控制的复杂性和稳定性是其设计中的主要难题之一[2-3]。文献[4]建立了基于单片机与步进电机等构成的飞机训练仿真器仪表控制系统，成功解决了以往该类控制系统存在的一些问题，例如定位精度不高，积累误差大，随动性能低等。文献[5]通过对现代机电控制技术的研究，提出了一种基于I2C总线的一体化机械仪表的驱动控制方法。

通过研究现有的飞机座舱驾驶仪表系统结构，并对其驱动控制方法进行比较，本文设计了一种新的可靠性高、便于使用及维护、成本低的航空驾驶仪表模拟控制系统。

1 系统原理及组成

1.1 系统原理

结合飞机飞行的真实工作条件，分析各个仪表的工作信号，对其进行模拟并施加到仪表上，使其正常工作并指示准确数值。根据信号源的性质，可将信号分为模拟信号和气压信号。模拟飞机真实工作条件而生成的模拟信号，通过模拟系统仿真后加到模拟信号仪表上，实现仪表的指示工作；气压信号通过模拟系统模拟出大气压力的变化，作用到气压信号仪表上，实现气压信号仪表的指示工作。系统原理如图1所示。

图1 系统原理简图Fig.1 Schematic diagram of the system

1.2 系统组成

根据相对独立工作的设计要求，将航空驾驶仪表模拟系统划分为3个部分：飞机仪表、模拟系统和操作控制系统。

依据所采用的驱动方式，可将飞机仪表划分为3类：飞行仪表[6]、全静压系统仪表[7]和发动机仪表[8]。1.2.1 仪表特点

（1）飞行仪表用于指示飞机的飞行运动参数。本系统设置有地平仪、转弯侧滑仪、航向指示器。

（2）全静压系统仪表是指利用全静压系统[9]驱动的仪表。所谓“全压”就是飞行器正对气流的表面气流全受阻时的压力；所谓“静压”，是垂直于气流运动方向的且不受流速影响而测得的压力。本系统采用的全静压仪表有：空速表、高度表、升降速度表。此外座舱高度压差表也需使用全静压系统实现指示工作。

（3）发动机仪表主要用于指示飞机发动机的状态，本系统设置有转速表、耗量/油量表、三用表。

1.2.2 模拟系统

在模拟系统中，驱动设备用于产生各仪表的驱动信号，可分为飞行仪表及全静压系统仪表驱动设备和发动机仪表驱动设备，其组成部件如表1所示。

表1 模拟系统组成部件表Tab.1 Components of the simulation system

1.2.3 操作控制系统

操作控制系统的主要功能是操纵各部件，并对模拟系统产生的信号进行控制，使仪表产生对应的指示功能。如图2所示，其典型的控制部件有位置拉杆与信号旋钮。位置拉杆用于控制仪表板的上下翻转和左右翻转，以实现地平仪的俯仰和倾斜指示；全（静）压信号旋钮用于控制气压信号的大小，以实现气压驱动仪表的指示功能。

图2 操作控制系统Fig.2 Operating control system

2 实施方案

用模拟系统生成飞行信号，通过控制系统实现仪表的指示控制。本系统采用真空泵及相应的管路组成全静压系统来控制相应的仪表，仿真飞行过程由于气压信号的变化引起的仪表指示过程。同时，考虑仪表、设备的重量进行布局分析，使用两个真空泵解决仪表板的配重问题，以使其达到水平平衡状态。

2.1 全静压系统仪表

全静压系统感受气流的全压和静压，分别输入到膜盒内外，利用气流的压力差促使膜盒变形，带动指针指示飞机的速度、高度等飞行参数。在构造全静压系统之前，需对所选用仪表的工作条件进行分析，选用能够满足其要求的真空泵作为压力源。全静压系统功能简图如图3所示。

图3 全静压系统功能简图Fig.3 Simulation of pitot-static system

根据开口膜盒的工作原理，空速表测量相对气流的压力来间接表示空速。本系统将真空泵Ⅰ的全压口和真空泵Ⅱ的静压口通过管路分别接在空速表的全、静压口上，调节压力信号旋钮控制真空泵的输出压力，实现空速表的指示工作；高度表将真空泵Ⅱ的静压口与高度表的静压口相接，通过调节泵的输出压力来控制高度表的指针指示；升降速度表的连接、控制方法与高度表相同。座舱高度压差表采用真空泵Ⅰ、Ⅱ产生压差，其大小通过气压信号旋钮调节。

2.2 飞行仪表

仪表飞行技术是指驾驶员按仪表的指示操纵飞机、判断飞行状态、测定飞机位置的飞行技术。它是复杂气象、夜间和海上飞行技术的基础，是飞行员必须掌握的基本飞行驾驶技术。培养按仪表指示操纵飞机和靠仪表指示飞行是飞行员技能训练必不可少的环节。该类仪表工作环境的模拟，需要保证提供仪表工作所需电压使其正常运转，以及通过人为操作的手段进行姿态控制。

（1）地平仪

地平仪通过传感器测量飞机的倾斜角、俯仰角，并转换成相应的电信号，输送给地平仪指示器，复现飞机的倾斜角度、俯仰角度，供飞行员判读。地平仪中的陀螺沿水平方向转动，两个机架或平衡环用于感受飞机的俯仰和滚转。陀螺具有空间稳定性，保持在一个固定位置，而飞机沿这一固定位置旋转[6]。

本系统采用交流电源36 V/400 Hz供电，驱动地平仪进入工作状态。通过调节位置拉杆实现仪表板的俯仰或倾斜，模拟飞机的飞行状态，并在地平仪上实时显示。

（2）转弯侧滑仪

转弯侧滑仪用来指示飞行器的转弯方向、侧滑方向、侧滑程度及转弯快慢，属于组合仪表，称为转弯侧滑仪。在本系统中，采用直流电源28 V驱动，通电后使其进入工作状态，通过位置拉杆调节仪表盘的转动方向，模拟飞机的飞行姿态，实现转弯侧滑仪的实时指示。

（3）航向指示器

航向指示器为飞行员提供航向指示，采用传感器进行驱动。本系统中，将位置传感器（GE-1M）输出的3路信号接到航向指示器（ZH-9）上，通过控制航向信号旋钮对其进行控制。

2.3 发动机仪表

通过仪表两端电压的变化模拟发动机仪表的工作信号。如式（1）所示，根据电阻串联分压的原理，将仪表内阻作为一个固定电阻R0，调节电位计旋钮阻值RX，促使仪表两端电压U0变化，实现仪表指针的偏转及指示。

（1）三用表

三用表包括滑油温度表、滑油压力表和燃油压力表，分别与对应的传感器连接，实时指示发动机的工作状态。在本系统中，采用电位器原理控制三用表的工作。电位计由电阻体和可移动的电刷组成，具有3个引出端，阻值可按某种变化规律调节。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值和电压。

（2）耗量/油量表

耗量表用于测量并指示发动机的燃油消耗量。本系统中，通过耗量传感器（GXR-1A）来驱动，采用小风扇吹动耗量传感器的风扇模拟燃油流动，以实现耗量表的工作。

油量表用于指示发动机燃油油箱内油量。本系统采用与三用表相同的控制方法。

（3）发动机转速表

利用同步电机的原理，转速表传感器将发动机主轴转速转变为电动势信号传给指示器，电动势的频率与转速成正比。指示器的测量部分利用旋转磁铁组的磁场与金属盘上的感应电流磁场相互作用来带动指针，其中金属盘产生的转动力矩与旋转磁铁组的转速成正比，并被游丝平衡。金属盘带动指针转动的角度与旋转磁铁组的旋转角速度成正比。本系统用三木电机（4IK25RA-C）模拟飞机发动机，与转速传感器相连，利用数显调速器（US-52）控制电动机的转速，将传感器信号接入转速表（ZZT-1）。

3 测试试验

系统测试流程如图4所示。试验之前，需确认电源插头连接牢固，开关处于关闭状态。测试过程如下：

（1）对于模拟信号仪表，通过控制位置拉杆及电位计旋钮调节飞机的飞行姿态，使相应的仪表实现飞行参数的指示。

（2）气压信号仪表的控制靠全、静压信号旋钮控制，通过调节全、静压信号旋钮实现大气压力的变化，使所对应的气压信号仪表指示飞机的升降、座舱压力变化等。

图4 系统测试流程图Fig.4 Texting flow chart of the system

在全静压系统测试时，首先采用全静压渗漏测试仪检测气压信号仪表，待其工作正常后方可接入全静压系统。

4 结语

本文分析了飞机座舱驾驶仪表的功能原理，提出了模拟飞行状态及控制仪表的方法，详细描述了模拟系统的设计方案及整机的测试流程。该系统是一个复杂的非线性控制系统，需要在后续的研究中，进行多变量控制的研究，以提高系统的仿真效果；同时，要结合学员培训的实际需要，综合使用多种控制方法，使飞机座舱驾驶仪表模拟系统具有更好的稳定性、实时性。目前该系统已完成开发，并应用到了教学、实训中，其性能得到了飞行训练人员的认可。

[1] 李哲煜，刘国庆，张维军.大型运输机模拟器仪表系统[J].计算机系统应用，2010，19（8）：44-48.

[2] 陈吉华，卢丽川，任小侠，等.虚拟航空仪表在某型号飞机工程模拟器上的应用[C]//第五届全国仿真器学术会论文集，2004：192-198.

[3] 王鹤，邱云飞.基于 VAPS的虚拟航空仪表显示系统[J].计算机系统应用，2011，20（11）：27-30.

[4] 杜延春，刘胜，周君益.飞机训练仿真器仪表控制系统设计与实现[J].自动化技术与应用，2013，22（9）：25-28.

[5] 司华伟，隋成城，张鑫亮.飞机模拟器的一体化机械仪表驱动控制方法[J].上海工程技术大学学报，2013，27（2）：119-123.[6] Federal Aviation Administration.Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge[M].New York，USA：Skyhorse Publishing Inc.，2009.

[7] Braithwaite M G，Durnford S J，Groh S L，et al.Flight simulator evaluation of a novel flight instrument display to minimize the risks of spatial disorientation[J].Aviation Space and Environmental Medicine，1998，69（8）：733-742.

[8] Bob Gardner.The Complete Advanced Pilot：A Combined Commercial&Instrument Course（The Complete Pilot Series）[M].Newcastle，USA：Aviation Supplies&Academics Inc.，2001.

[9] Wikipedia，Pitot-static system[EB/OL].（2014-04-08）[2014-05-16].http：//en.wikipedia.org/wiki/Pitot-static_system.