半实物仿真| 基于实时仿真的运动飞行模拟器

罗天宇

系统概述
基于实时仿真的运动飞行模拟器是集教学与科研目的为一体的多功能实验台，其在满足学生日常教学实验的同时，兼顾飞行器控制及力学等学科专业的科学研究。平台主要由上位机、实时仿真器和模拟飞行座舱组成，可作为《航空航天概论》、《飞行控制技术》、《航空动力学》等课程的实验课开设。



系统特点
1、开放性：

支持用户使用Matlab Simulink自定义飞行器对象仿真模型，适用于创新型实验课程的开设；

2、生动性：

实验平台与理论课程紧密结合，将枯燥的飞行器理论讲解与形象生动的模拟操控、视景仿真、数学模型实时仿真有机结合起来，增加实验课程的生动性，提供学习兴趣；

3、先进性：

理论推导、数字仿真、实时仿真模拟到最后的实物试验，这是航空器研制过程中，普遍采用的工程级研发流程，通过本平台的使用，学生可以接触到当前主流航空企业的研发流程；

4、综合性：

本平台可作为《航空航天概论》、《飞行控制技术》、《航空动力学》等多门课程的实验课，提高了设备的利用率，并适用于综合性实验课程的开设。



系统设计总体架构
基于实时仿真的运动飞行模拟器采用“上-下”位机架构，上位机是1台Windows主控计算机，是用户进行飞行器系统设计和三维视景仿真的环境；下位机是1台飞行实时仿真机，运行飞行器动力学、传感器及大气环境等模型的实时代码，并通过以太网实现与运动模拟座舱的操作端进行数据通信。具体工作流程如下：



1、试验人员进入飞行模拟舱中操控设备，输出飞行员操控指令。

2、上位机与模拟座舱连接，通过以太网向实时仿真器转发飞行员操控指令。同时，基于Matlab Simulink软件设计用户自己的飞行器仿真模型，经过自动编译后，部署到实时仿真器中执行。

3、飞行实时仿真机接收飞行员操控指令，并实时计算飞行器系统模型，并将飞行器姿态信息发送给六自由度运动平台和上位机。

4、六自由度运动平台带动飞行座舱实现飞行器空间运动模拟。

5、上位机接收飞行数据，驱动三维飞行视景仿真软件运行，并通过模拟座舱部署的液晶显示器展示出来，最终构成人在回路的实时飞行仿真环境。
硬件架构



1、上位机：基于Windows系统，提供系统建模、运行管理环境。

（1）运行Matlab Simulink建模软件，进行飞行器系统模型设计，并能够自动生成代码，通过以太网下载到飞行实时仿真机中运行。

（2）运行Links-RT仿真软件包，并以虚拟仪表、曲线等方式实现对仿真器的监控，完成对飞行实时仿真机的管理功能。

（3）运行flightgear三维视景仿真软件，实时生成飞行器动态飞行场景。

2、运动飞行模拟座舱：模拟飞行员驾驶环境。

（1）操控输入：通过飞行摇杆、油门杆、开关控制面板、飞行脚舵等，模拟飞行员操控指令输入。

（2）视景显示：通过3块组合的液晶显示器，实时动态显示飞行器仪表、飞参以及外部场景信息。

（3）六自由度运动平台：模拟三个平动自由度和三个转动自由度的运动。

3.飞行实时仿真机：实时解算飞行器系统模型。

软件架构


平台软件分为“上-下位机两部分”，主要包括：

1、上位机软件：基于Windows操作系统，提供系统建模、仿真运行管理、飞行视景等功能。

（1）建模软件：用户基于Matlab Simulink创建自定义飞行器仿真模型；

（2）实时仿真软件：平台提供Links-RT实时仿真软件包，支持用户的Simulink模型自动编译为实时仿真代码，并下载到飞行实时仿真机中运行；

（3）三维视景软件：使用开源飞行仿真软件FlightGear作为视景仿真软件，可以实时动态展示飞行器状态信息。

2、下位机软件：基于VxWorks实时操作系统，实现飞行器系统模型的实时计算。

（1）实时代码：由用户基于Matlab Simulink开发，并且已自动转换为VxWorks系统上可直接运行的二进制代码文件；

（2）实时仿真引擎：实时引擎RT-Engine是Links-RT实时仿真软件包的一部分，部署在VxWorks系统上，为用户模型的启停操作、数据记录、上下位机通信等提供底层运行支持服务。
开发运行流程
使用Matlab Simulink建模环境结合Links-RT实时仿真软件包，用户可按照6个步骤实现从建模到硬件在环仿真的全过程。下图给出了流程示例。



1、 数字仿真

首先，在Simulink环境下建立数学模型，通过在Simulink下的数学仿真，初步验证模型及算法。

2、半实物模型准备

对数字仿真模型进行修改，加入硬件I/O模块，建立半实物仿真（HIL）模型。

3、 目标代码自动生成

在完成HIL模型的参数设置后，即可调用自动代码生成工具，将Simulink模型转换为C代码，并最终编译为VxWorks系统下的可执行程序。

4、 仿真配置管理

在RT-Sim主控软件中，根据软件向导，建立仿真工程，设置仿真目标机属性，配置监视及保存变量，准备实时仿真。

5、实时仿真

在RT-Sim软件中，点击【启动】按钮，仿真开始；半实物模型编译生成的可执行程序将自动下载到目标机，并启动实时运行，与实物设备通过IO硬件进行交互；上位机的RT-Sim软件通过以太网监视目标机状态，并支持在线修改参数、启停控制、实时数据存储等功能。

6、 仿真数据后处理

仿真结束后，RT-Sim进行实时存储数据上传、格式转换（支持txt、xls、mat等格式）、数据回放等，能够与Matlab、Excel等工具无缝集成，并能够进行简单的数据处理。



系统组成硬件组成
1、上位机



主控计算机基于Windows平台，运行Matlab/Simulink建模环境；使用Links-RT仿真软件包软件实现对仿真运行试验的启停控制、在线监控、数据后处理等操作，同时可以配合LabVIEW、Vega Prime、FlightGear等第三方软件实现仿真过程的仪表监测和三维视景显示。

2、飞行实时仿真机



飞行实时仿真计算机采用开放式PCI系统架构的嵌入式计算机平台，紧凑型便携式设计，高性能处理器及VxWorks实时操作系统，方便硬件IO卡的扩展，示意图如下。仿真计算机用来实时解算飞机的飞行动力学、飞行控制、导航系统以及大气环境等数学模型。

3、简易飞行模拟舱

（1）飞行摇杆



集成了SAITEK多年的模拟飞行设备开发的经验，目前最贴近真实民航飞行体验的专业飞行模拟摇杆－YOKE模拟飞行系统。这款产品具有不锈钢的拉伸轴，良好的人机工程控制，整合了飞行计时器和独立的油门组合，飞行体验更平滑，精准，更接近真实飞行。高强度的不锈钢伸缩轴，高精度的轴承，使得飞机俯仰和副翼调整精准到位，动作平滑。

（2）油门杆



分离式节流阀组合单元，有独立的三级控制杆，在模拟飞行中可以提供不同的轴控制功能（油门，燃料混合，配平等功能）六个控制按键，三个摇杆下压按键，可设置反推等功能；稳定的桌面固定夹，两种组合固定方式，附增组合控制杆帽，操作更加方便；支持强大的SST软件；和民航杆自带油门组合使用，扩展轴的个数，适合多引擎飞机的控制。独立的油门组合，可以锁定油门，副翼及燃料混合比或桨距。固定在操纵杆顶部，或者操作台前，或者主驾/副驾边上任意位置都很方便。

（3）飞行开关控制面板



仿真控制飞机起落架，发动机开关，落地灯和其他11个重要的飞机的功能。使用户更好真实体验飞行模拟驾驶。

（4）飞行脚舵



SAITEK专业飞行脚舵踏板是一款设计稳固的三轴踏板，在飞行模拟中最大限度提供逼真的体验。这款产品与飞行摇杆和油门匹配使用，提供额外的灵敏度和控制精度，真实体验模拟飞行过程。

（5）模拟飞行座舱支架



模拟飞行座舱支架主要用来为驾驶员提供模拟驾驶的环境，并将飞机三维飞行视景及座舱仪表系统、飞行摇杆、油门杆、飞行脚蹬、飞机仿真计算机等设备集成到一个统一的结构下，方便教学以及模拟飞行实验。

（6）低频振动器



低频振动器用来提供座椅震动的震感设备，可以让模拟飞行驾驶人员感觉到诸如飞机起落架的收放、发动机启动和加速等震感。低频振动器对低频信号的敏感度极高，可精准的传达低频信号，信号反应强烈效果明显，提供近似真实的感受。

（7）六自由度运动平台



六自由度运动平台用于科研项目半物理仿真验证试验及测试，可模拟三个平动自由度和三个转动自由度的运动。

六自由度运动平台采用Stewart结构，基本组成包括两个平台和六根支撑杆。其中一个平台为固定的“基座”（也称下平台）；另一个是可移动平台（也称活动平台,上平台）。两平台上装有受动关节，活动平台上的受动关节具有和活动平台一样的运动。两平台之间由六根支撑杆以并行方式相连，每个支撑杆的两端与两平台上的受动关节相连。每根支撑杆的末端装有驱动器，通过同步带传动驱使支撑杆伸缩，完成上平台在三维空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

（8）电动缸



电动缸是六自由度平台的核心驱动部件，直接决定平台的动态性能。平台指标承载能力为200Kg，设计电动缸承载能力为800Kg，最大速度为0.2m/s。

软件组成


Links-RT仿真软件包是由我公司开发的实时仿真平台系统软件，致力于为用户提供快速原型设计及硬件在回路仿真解决方案。Links-RT仿真软件包完善的将Simulink图形建模工具与VxWorks实时目标机硬件环境集成起来，提供一个高易用性、高可靠性、强实时性的设计、仿真、验证平台。Links-RT仿真软件包历经多年的持续开发，并在航空、航天、兵器等各行业的应用中不断完善。

Links-RT仿真软件包是将硬件平台和其它软件平台进行集成和无缝连接的工具和桥梁：引导用户完成从数学建模到最终建立快速原型样机的全过程；提供对目标机控制器平台硬件的自动维护过程；提供的仿真数据监视、模型参数在线修改、仿真结果存储和事后处理等强有力的辅助功能，也给用户带来了很大的方便。

Links-RT软件包分为Host Tools和Target Tools两大部分，即基于Windows操作系统的开发主机端（Host Tools）和基于VxWorks操作系统的实时目标机端（Target Tools）的两部分软件。

运行在主机上的Host Tools 则负责将Matlab、IO接口子系统、模型实时变量监视和参数修改、仿真数据事后处理等工具无缝的集成在一起。

运行在目标机控制器上的Target Tools负责接收和处理主机软件对目标机上IO板卡的配置请求，并完成对特定板卡的相关测试。在模型运行阶段，需要向主控软件汇报模型状态，并完成对模型变量和参数的实时监视和修改。仿真结束后，上传仿真结果数据文件。软件详细介绍请点击衔接：Links-RT仿真软件包