飞行模拟机机械式仿真仪表的设计与实现

■ 李会茹 陈又军 黄欢/中国民航飞行学院模拟机训练中心

0 引言

随着民航业的快速发展，国内模拟机训练中心日益增多，训练模拟机的数量和模拟机的训练时间呈突进式增长，随之带来的模拟机仪表备件消耗量十分巨大，而目前模拟机的生产商主要为CAE、TRU和L3等国外厂商，导致备件订购和维修时间长，所费金额较大。

模拟机上的仪表可以是飞机真件也可以是仿真件，飞机真件一般价格昂贵，一旦出现故障需要送往专门的维修机构维修[1-3]。

仿真仪表是指对飞机仪表的原理性进行仿真，依靠内建的软件算法和参数设定来模拟真实仪表显示的设备[4-5]。仿真仪表分为图形式仪表和机械式仪表。机械式仪表是指由机械装置驱动的仪表，如地平仪、电压表、电流表，由电机驱动仪表完成显示。

新的法规规定，三维仪表（如机电仪表）的电子显示图像应具备与飞机仪表相同的三维景深，从主要操作人员的位置观察模拟机仪表时，应复现与观察飞机仪表时相同的外观，包括因观察角度和视差所导致的仪表读数不准确度。共用仪表上的观察角度误差和视差应最小化，如发动机显示和备用指示器等。

由于图形仪表是完全的虚拟仪表，不能显示视觉上的误差，为了满足法规要求，未来仿真仪表势必为机械式仪表。

1 机械式仿真仪表工作原理

机械式航空仿真仪表采用数字信号处理器、步进电机以及外围电路来实现仪表的仿真显示。机械式航空仪表通常分为两类，一类是非指针式仪表，如地平仪、水平状态指示仪，一类是指针式仪表，如空速表、电压表等。指针类航空仪表的应用最为广泛，数量较多。同时，指针式仪表还可通过更改表盘，快速改装为同系列的其他仪表[6]。

机械式仪表设计中的关键部件为步进式电机，步进电机可以将电脉冲信号转换为角位移或者线位移输出，用来驱动连接的执行元件（如仪表指针）[7]。一般，通过控制步进电机的转动角度来控制角位移输出值[8]。当脉冲信号的频率太快，步进电机会产生“丢步”现象，需要由电机驱动器进行控制。电机驱动器向步进电机发出方向指令和脉动指令，步进电机接收到信号并对之处理后，驱动执行元件指针的旋转量。此外，执行元件会向电机驱动器反馈信号，进而呈现理想的输出值。步进电机类指示器需要回零，对于360°旋转的仪表，可以采用光电传感器回零位；对于转动角度低于360°的仪表，通过安装止位卡销，利用碰撞检测实现回零。

2 仿真设计

本文以座舱压力表的仿真设计为例进行阐述。由于真实飞机上的座舱压力指示仪表是根据真实飞机上的座舱系统的供给量完成显示的，因此座舱压力指示仪表的飞机真件不能直接用在模拟机上，模拟机上的座舱压力指示仪表必须是仿真件。

2.1 座舱压力指示仪表设计框图

分析某机型飞机座舱指示仪表工作状态，仪表指示在0～300°范围内转动，最小刻度1°，表内有黄光照明。

根据仪表设计原理，仿真仪表设计采用微型步进电机驱动仪表来获得合适的指示。步进电机在脉冲作用下转动，通过反相器实现连续工作。步进电机的工作电流较大，前一级接入驱动电路，并由数字信号处理器采集信号，通过接口电路与飞行控制主计算机连接。仪表的复位及零位检测采用光电传感器。工作原理见图1。

2.2 座舱压力指示仪表设计电路图

仿真电路的具体实现见图2，仪表的内部驱动电路由双线圈的电机驱动，指示仪表由±15VDC电源驱动，放大器将信号放大，驱动步进电机，电机带动指示器的指针转动。当正弦信号为零、余弦信号为最大值10V时，仪表处于指示的零位。二极管和电容组成保护电路，以防止无意中错连电源电压而可能造成仪器的损坏。

2.3 座舱压力指示仪表设计角度计算

由于仪表的刻度为非线性分布，表盘也是非线性分布，需要将电压输入值转化为D/A的模拟值进行输出，使仪表指针显示到合适的刻度。在仪表设计过程中，分析了10位数据和12位数据的仪表显示精度，一般而言12位数据的显示精度可以满足绝大数的仪表显示需求。本实例中采用12位数据进行设计。表1列出了计算得到的旋转角度、输入电压值和D/A输入量之间的对应关系。

2.4 座舱压力指示仪表设计软件构架

当仿真仪表有外部电源输入时，系统开始进行自检，指针指示到初始位置[4]，等待接口电路传送的数据，根据传送的数据判断是否需要转动，如果步进数大于1，电机开始转动，完成一次转动后，电机等待下一次串口数据，继续此循环。软件流程图见图3。

图1 仪表指示器的工作原理

表1 旋转角度、输入电压值和D/A输入量之间的对应关系

图2 仿真仪表电路设计原理图

图3 仿真仪表软件流程图

2.5 座舱压力指示仪表校准

仪表受长期累积误差或者温度湿度影响，需要定期进行校准。仪表设计开发时，开发人员制作了校准文档，模拟机维护人员按照仪表校准程序[10]可以在校准文档中更改参数，完成仪表的校准工作。仪表校准遵循的原则为：对校准曲线上异常变化的点进行校准；观察仪表指示范围，仪表指示的最大值和最小值必须在仪表指示范围内。

根据模拟机维护手册要求，每12个月应对机械式仿真仪表进行校准，若怀疑指示有误差时必须进行校准[10]。机械式仪表产生误差有多种原因，包括：指针受重力影响而产生指示误差；指针在转动过程中每一点的力矩不一样，产生指示误差；合成电机的线圈不均匀，使电机驱动仪表指针时产生误差。

3 仪表传输延迟测试

仪表传输延迟时间在民航CCAR-60部法规中有明确要求，对于飞行训练器来说，仪表显示延迟时间需小于300ms；全动飞行模拟机的仪表显示延迟时间需小于150ms（最新咨询通告为100ms）[11]。将仿真的仪表安装到CJ1飞行模拟机上进行仪表传输延迟测试，通过连接在某一块或者多块虚拟仪表显示器上的光电传感器来完成测量。图4所示为使用光电传感器检测仪表亮度变化时的工作原理图。测试机械式仿真仪表时可以去除该光电传感器，将机械式仪表位置反馈电位器输出端连接电路中光电传感器端。图5则是仪表传输延迟测试盒。

图6是CJ1 训练器使用驾驶杆输入横滚信号时仪表传输延迟的测试结果，可见仪表响应时间为104ms，该结果满足新CCAR-60部飞行模拟训练器器咨询通告的要求，因此，可以将所仿真的仪表用于该模拟训练设备。

图4 光电传感器工作原理图

图5 光电传感器套件

图6 ROLL响应传输延迟测试结果

4 结论

机械式仿真仪表具有真件不可比拟的成本低廉的优点，其研发也相对容易。应用于模拟机时，日常维护操作容易、维修程序简单。同时，仿真仪表具有强大的扩展性，通过软硬件移植再创建，可以快速仿真成为与其相类似的仿真件，还可经过改装后在虚拟程序练习器（Virtual Program Trainer，VPT）中使用。