基于LabWindows/CVI虛擬儀器編程語言的飛行模擬器

闡述了借助LabWindows／CVI環(huán)境實(shí)現(xiàn)飛行模擬器測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)描述了利用軟件的方法實(shí)現(xiàn)操縱負(fù)荷系統(tǒng)信號(hào)的采集、控制TCP通信，自動(dòng)參數(shù)測(cè)試等功能。實(shí)際使用表明：該系統(tǒng)操作方便，人機(jī)界面友好，工作性能穩(wěn)定可靠，為模擬飛行器的檢測(cè)維修提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

　　為了滿足基于教學(xué)工作過程需要，凸現(xiàn)航空特色，創(chuàng)設(shè)集“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)情境環(huán)境，開發(fā)了運(yùn)5簡(jiǎn)易飛行模擬器設(shè)備，該項(xiàng)目以真實(shí)的運(yùn)5飛機(jī)為載體，以LabWindows／CVI為開發(fā)環(huán)境，主要面向?qū)W生演示飛機(jī)的飛行的姿態(tài)(縱向、升降、傾向、俯仰、橫滾和航向)以及飛行過程中各種儀器儀表的變化，使學(xué)生對(duì)飛機(jī)的飛行原理以及駕駛技術(shù)具有一定了解，使其在模擬器上完成簡(jiǎn)單的飛行操作。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　由于該模擬器僅用于教學(xué)，參觀演示，僅涉及了飛機(jī)飛行過程一些飛機(jī)飛行過程中的必須設(shè)備和必須功能，因此，對(duì)模擬器簡(jiǎn)易化處理后，它主要包括儀表控制系統(tǒng)、操縱負(fù)荷系統(tǒng)和視景環(huán)境模擬系統(tǒng)，該飛行器控制系統(tǒng)用框圖如圖1所示。

　　1．1 操縱模擬控制系統(tǒng)

　　操縱模擬控制系統(tǒng)義稱操縱負(fù)荷系統(tǒng)，是整個(gè)項(xiàng)目的核心，主要為飛行員提供逼真的座艙操縱感覺。座艙操縱感覺是飛行員移動(dòng)操縱感覺時(shí)的負(fù)荷感覺，它受到操縱面偏轉(zhuǎn)的影響，并由此產(chǎn)生操縱輸入引起飛機(jī)的響應(yīng)。操縱負(fù)荷系統(tǒng)分為操縱負(fù)荷裝置和飛機(jī)操縱系統(tǒng)模型兩部分。其中。操縱負(fù)荷裝置用于產(chǎn)生實(shí)際的模擬器座艙操縱力；飛行操縱系統(tǒng)模型用于仿真給定條件下特定飛機(jī)操縱系統(tǒng)的各種力的形成。通過這兩部分的集成，仿真實(shí)現(xiàn)所需的座艙操縱力，從而產(chǎn)生操縱力的感覺，這種感覺與飛行員在真實(shí)飛機(jī)中的體驗(yàn)感覺相似。

　　運(yùn)5模擬器的操縱負(fù)荷系統(tǒng)采用電動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括兩個(gè)主要的子系統(tǒng)：操縱負(fù)荷計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)和操縱負(fù)荷裝置子系統(tǒng)。前者用于計(jì)算飛機(jī)飛行操縱系統(tǒng)以及作動(dòng)器控制回路的數(shù)學(xué)模型，控制器的輸出提供驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器通道的控制信號(hào)；而后者用于將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)座艙操縱裝置。

　　1．2 模擬儀表控制系統(tǒng)

　　運(yùn)5模擬器儀表控制系統(tǒng)是運(yùn)5模擬器的重要組成部分。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)5飛機(jī)在模擬飛行狀態(tài)時(shí)。各個(gè)儀表在操縱系統(tǒng)作用下的指示，讓操作者有身臨其境的感覺。運(yùn)5簡(jiǎn)易模擬器采用運(yùn)5飛機(jī)上的真實(shí)儀表，座艙內(nèi)基本保持運(yùn)5飛機(jī)結(jié)構(gòu)不變。整個(gè)儀表控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由模擬信號(hào)控制系統(tǒng)和氣壓信號(hào)控制系統(tǒng)構(gòu)成，它結(jié)合視景及音響實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)的飛行姿態(tài)以及所處的高度等。

　　1．3 3D環(huán)幕視景仿真系統(tǒng)

　　3D環(huán)幕視景系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是舵通道圖形處理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)處理高分辨率的視頻文件或圖片，在圖形處理系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)源文件的多通道分割，舵通道圖像重疊，融合帶的亮度調(diào)節(jié)、像素級(jí)的邊緣集合校正、羽化處理。最后實(shí)現(xiàn)多通道無縫完整圖像輸出；二是3D多通道輸出系統(tǒng)，接收到經(jīng)圖形處理系統(tǒng)處理過的源文件后，經(jīng)過本身處理器件的2D、3D效果的多通道視頻或圖片。

　　整個(gè)系統(tǒng)從性能與方便性著手。在保證了完美融合效果的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制過程，使整個(gè)系統(tǒng)更實(shí)用、更人性化。

　　1．4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　整個(gè)模擬器以工控機(jī)為核心，運(yùn)行信號(hào)均源于操縱負(fù)荷系統(tǒng)，操縱負(fù)荷系統(tǒng)分為操縱負(fù)荷裝置和飛機(jī)操縱系統(tǒng)，如圖2所示。其中操縱負(fù)荷裝置可以產(chǎn)生實(shí)際的模擬器座艙操縱力，使升降舵、副翼和方向舵發(fā)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，通過傳感器對(duì)位移，角度進(jìn)行測(cè)量。工控機(jī)對(duì)所收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過以太網(wǎng)傳給視景仿真計(jì)算機(jī)，使視景顯示器顯示相應(yīng)的視景畫面：工控機(jī)還將分析處理過的信號(hào)通過適配箱送往座艙儀表，驅(qū)動(dòng)儀表顯示相應(yīng)的數(shù)值。

　　2 基于LabWindows／CVI的模擬器軟件實(shí)現(xiàn)

　　2．1 LabWindows／CVl開發(fā)環(huán)境的選擇

　　LabWindows／CVI是一個(gè)基于ANSI C的交互式可視化軟件開發(fā)環(huán)境，是美國(guó)NI公司推出的面向儀器與測(cè)控過程的C／C++交互式開發(fā)平臺(tái)。它將功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的C語言與測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來，利用其集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、豐富的函數(shù)面板、強(qiáng)大的接口功能、豐富的庫函數(shù)以及功能齊全的軟件工具包，大大增強(qiáng)了C語言的功能。它將源代碼編輯、強(qiáng)有力的儀器庫、32位ANSI C編譯、鏈接、調(diào)試以及標(biāo)準(zhǔn)ANSI C庫集成在一個(gè)交互式開發(fā)環(huán)境中，極大地簡(jiǎn)化了圖形用戶接口的設(shè)計(jì)，同時(shí)為使用者提供了靈活的、內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集分析和顯示功能。具有多種與硬件通信的方式，例如RS232，VXI等。同時(shí)，也可以建立TCP／IP通信機(jī)制。相對(duì)于VC、VB等其他開發(fā)工具，LabWi-ndows／CVI具有更強(qiáng)的硬件控制和數(shù)據(jù)分析處理能力，特別適用于各種測(cè)試、控制、故障分析及信息處理軟件的開發(fā)，尤其是大型復(fù)雜的測(cè)控軟件，可獲得優(yōu)良的測(cè)控性能。在LabWindows／CVI中，還加入了數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的軟件包，使其能夠滿足超大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和大型分布式遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)。

　　鑒于以上LabWindows／CVI的優(yōu)點(diǎn)，考慮到整個(gè)模擬器運(yùn)行的信號(hào)都來源于操縱負(fù)荷系統(tǒng)，這便構(gòu)成了以操縱負(fù)荷系統(tǒng)為主的測(cè)控系統(tǒng)。故本項(xiàng)目以LabWindows／CVI虛擬儀器編程語言作為軟件開發(fā)平臺(tái)。

　　2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　2．2．1 軟件結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

　　軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，提高了編程效率，增強(qiáng)了軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。根據(jù)需要，系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行控制與輔助三大模塊，具體有以下9個(gè)部分。其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。