飞行控制算法演示验证系统设计

侯学晖

摘要：为了减少飞行控制算法的开发周期和费用，同时验证飞行控制的可行性，笔者设计了飞行控制算法演示验证系统。该系统分模拟驾驶舱子系统和视景子系统，分别用于模拟驾驶舱内和舱外的飞行控制及显示，实现为飞控算法提供实验环境的目的，包括提供操纵信号、显示飞行数据及飞行场景的功能。该系统可用于飞控算法仿真分析、算法调试、实验验证及算法演示等研发、推介全过程。

关键词：模拟  驾驶舱  视景 飞行控制

中图分类号：V233.7   文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）06（b）-0000-00

飞行控制算法一直是各种机型研制的关键问题，尤其20世纪以后，随着其他航电产品的发展，飞行控制算法还关系其他各先进机载设备的研制，比如近地告警、空中防撞等设备，而这些算法的研制过程中试验成本过高，突发情况较大，耗费过大的人力、物力且不利于取得进展。因此，一套逼真的演示验证环境就显得格外有价值，不仅可以节省时间和成本，而且能够保证试验人员的人身安全，还能够较为真实地模拟出飞行环境，进而成功验证更先进的算法。

1总体设计

该系统主要包括模拟驾驶舱子系统和视景子系统，其中模拟驾驶舱子系统主要用于模拟真实的飞行操纵功能，给飞行控制算法提供操纵数据;视景子系统用于模拟飞行时通过驾驶舱看到的外界场景模拟，接收来自飞行控制算法的飞机状态数据[1]。系统软硬件架构如图1所示。

2分系统设计

2.1视景子系统设计

视景子系统包括视景系统显示硬件、计算机及视景系统软件。

2.1.1视景系统显示硬件

视景系统显示硬件采用14块55英寸的OLED柔性拼接屏实现。传统的电子屏幕相较于投影系统，優点是不需要密闭的暗室环境，缺点是直屏拼接沉浸感较差。OLED柔性拼接屏恰好弥补了以上缺点，兼顾了光线和沉浸感的需求。

OLED柔性拼接屏是一个开放型的曲面显示器，其拥有的可拓展和可弯曲的性能，可以适应不同空间大小和形状要求。曲面设计拥有的空间利用效率，其可拓展和可弯曲的性能使它可以被设计成各式各样的造型，通过便捷的安装，即可产生令人瞩目的效果。显示硬件7+7的布置，保证中间飞行操作人员正中间的屏幕的完整性，提供了左右180°，垂直55°的视场角，满足了一般飞行试验的要求[2]。

2.1.2视景系统计算机

视景系统计算机主要用于驻留视景软件，选用当前主流商用工作站，需配置高性能显卡，以防止出现丢帧、卡顿的现象。

2.1.3视景系统软件

视景系统软件基于全球地形数据，采用WGS-84坐标系建立高精度多分辨率的完整三维数字地球，通过三维资源动态调度、动态渲染等技术，实现低资源占用的情况下从全球尺度到局部地区细节的流畅过渡与显示，提供无边界视野漫游，实现海、陆、空、天一体化的视景仿真，同时完美支持超大分辨率大屏、小间距LED立体、多通道立体投影、VR/AR设备等多种显示外设。软件特性包括：全球地形数据库、真实高程和纹理数据以及高度开放性。基于以上特性，可以为机载产品提供算法验证的定制化服务。

针对复杂天气情况下的验证环境，视景软件提供了气象模块，可以自动化创建任何时间任何地点的天空、体积云和天气，在给定时间地点的情况下快速地自动化生成精确的天空效果。其中真实的大气雾模式是一种透过地球大气的光散射的近似现象，可以提供不同浑浊度及不同海拔的效果[3]。体积云作为一种先进的粒子云技术，可以提供云生成、消散及随风移动的过程，可以提供不同形态、不同角度的云层，所形成的云各不相同。以上复杂多变的可定制化气象条件，可用于为机载设备提供特殊天气的模拟。

视景软件的定制化绘制特性可以接收外部的场景信息和态势信息，实时显示障碍物、威胁区域，目标作用范围、通讯路线等;接收外部驱动数据的飞行信息，实现显示飞行轨迹线、姿态面、轨迹剖面[4]。

定制化的视景软件效果如图2所示。

2.2模拟驾驶舱子系统设计

模拟驾驶舱子系统包括模拟驾驶舱台架、虚拟仪表计算机及虚拟仪表软件。

2.2.1模拟驾驶舱台架

模拟驾驶舱台架是模拟驾驶舱的硬件主体部分，包含台架结构、模拟操纵件、飞行面板触摸屏、座椅等安装功能，具备相关电路和通信线路的走线功能。

台架结构采用单侧半段滑轨形式，进出便捷。台架底部使用4个福马轮支撑，方便移动与固定。福马轮具有防滑静音、耐磨耐用、实心加厚、承重力强、稳定牢固的优点。并为每台座舱额外配备4个支撑脚杯，用以分散座舱压力，保护实验室底板。

模拟操纵件包含飞行操纵杆、油门杆和脚舵，飞行操纵杆与油门台安装选用图马思特（THRUSTMASTER）A10C。脚舵安装按选用图马思特（THRUSTMASTER）TPR脚舵[5]。

飞行面板触摸屏选用23.8英寸触摸屏显示器，支持10点触控，用于飞行仿真仪表的显示。

座椅设计时需要考虑以下因素：驾驶员坐姿肩部高度、驾驶员坐姿人体最大宽度、驾驶员坐姿肘部平放高度、驾驶员坐姿臀部宽度、驾驶员坐姿大腿厚度、驾驶员坐姿膝盖高度、驾驶员坐姿腿弯高度、驾驶员坐姿臀部至膝盖长度、驾驶员坐姿臀部至腿弯长度等。此外，结合系统实际情况，预留上下左右可调空间，以满足不同实验人员的需求。

人机视野也是驾驶舱台架设计中非常重要的一点。驾驶员的眼睛是完成飞行模拟器仿真的主要身体部位。眼睛是视觉器官，眼睛的功能类似于摄像头，以视网膜为储存卡，为大脑传递出生动的影像，所以驾驶员的视觉系统主要核心就是一对眼睛。因此在设计驾驶舱时，视野和视距设计也是重中之重[6]。

综上，模拟驾驶舱台架设计图如图3所示。

2.2.2虚拟仪表计算机

虚拟仪表计算机用于驻留虚拟仪表软件，选用当前主流商用工作站。

2.2.3虚拟仪表软件

虚假仪表指的是把仪表显示在屏幕上面然后用屏幕来代替飞行所需的仪表。虚拟仪表软件开发工作主要集中在虚假仪表的外观、指针、滚动显示数据条、警告等设计与制作。虚拟仪表软件设计符合以下规范：使用颜色显示飞行信息便于分辨和识别重要飞行信息，字符大小能突出重要飞行数据，显示符号形状更有助于分辨所显示的符号。正常飞行过程中只使用有限的几种颜色，如绿色、白色、蓝色和品红色等，而橙色和红色用于指示紧急处理信息。整体设计风格应统一，相同内容出现在不同的显示区域应保持一致的风格。

主飞行数据显示包括以下内容：空速刻度带、游标显示、侧滑指示、航向刻度带、相对气压高度、绝对气压高度数值显示、無线电高度刻度带、当前时刻、飞行状态、航电主模式等[7]。

导航信息包括以下内容：导航方式、偏流角、地速、航迹角、风速、风向、真空速、无线电罗盘、航向选择类型、下一航路点、应飞航向、未飞距离、当时航向数值显示、下一航路点预计到达时间。

2.3 系统总体效果

综上，飞行控制算法演示验证系统总体效果见图4所示。

3 结语

该系统模拟了飞行操纵的软硬件环境以及驾驶舱外的场景，尤其是国内自主研发的视景软件实现了实验必需的强定制化需求，同时配备了兼顾成本与适用性强的视景硬件，完整实现了算法演示验证的目标。目前，该系统架构已成功应用于多个实验环境，实践证明可以满足用户要求。

参考文献

[1] 董鸿鹏，王春财，张波.飞行模拟器视景系统的设计与实现[J].计算机应用，2018，38（S1）：228-231，235.

[2] 李向阳，汪潇，张志利，等.基于虚实结合的特装车辆驾驶训练模拟系统[J].系统仿真学报，2021，33（12）：2919-2934.

[3] 姜霞.飞行视景仿真中若干关键技术的研究及实现[J].中国设备工程，2022（3）：215-216.

[4] 白小亮.飞行模拟器视景仿真系统的优化设计与实现途径探索[J].科技创新导报，2020，17（9）：2-3.

[5] 张锦思. 实训型驾驶模拟器训练驾驶行为评价设计与视景仿真评价探究[D].西安：长安大学，2020.

[6] 申正义. 基于人机工程学的直升机飞行模拟器驾驶舱设计研究[D].秦皇岛：燕山大学，2019.

[7] 孙晶晶.民机模拟驾驶舱实训效果评测平台设计[J].科技创新导报，2019，16（27）：14，17.