基于LabWindows/CVI虛擬儀器編程語(yǔ)言的飛行模擬器

闡述了借助LabWindows／CVI環(huán)境實(shí)現飛行模擬器測控系統的設計過(guò)程。介紹系統的硬件結構，同時(shí)描述了利用軟件的方法實(shí)現操縱負荷系統信號的采集、控制TCP通信，自動(dòng)參數測試等功能。實(shí)際使用表明：該系統操作方便，人機界面友好，工作性能穩定可靠，為模擬飛行器的檢測維修提供強有力的技術(shù)支持。

　　為了滿(mǎn)足基于教學(xué)工作過(guò)程需要，凸現航空特色，創(chuàng )設集“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)情境環(huán)境，開(kāi)發(fā)了運5簡(jiǎn)易飛行模擬器設備，該項目以真實(shí)的運5飛機為載體，以LabWindows／CVI為開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要面向學(xué)生演示飛機的飛行的姿態(tài)(縱向、升降、傾向、俯仰、橫滾和航向)以及飛行過(guò)程中各種儀器儀表的變化，使學(xué)生對飛機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 系統結構

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

　　1．1 操縱模擬控制系統

　　操縱模擬控制系統義稱(chēng)操縱負荷系統，是整個(gè)項目的核心，主要為飛行員提供逼真的座艙操縱感覺(jué)。座艙操縱感覺(jué)是飛行員移動(dòng)操縱感覺(jué)時(shí)的負荷感覺(jué)，它受到操縱面偏轉的影響，并由此產(chǎn)生操縱輸入引起飛機的響應。操縱負荷系統分為操縱負荷裝置和飛機操縱系統模型兩部分。其中。操縱負荷裝置用于產(chǎn)生實(shí)際的模擬器座艙操縱力；飛行操縱系統模型用于仿真給定條件下特定飛機操縱系統的各種力的形成。通過(guò)這兩部分的集成，仿真實(shí)現所需的座艙操縱力，從而產(chǎn)生操縱力的感覺(jué)，這種感覺(jué)與飛行員在真實(shí)飛機中的體驗感覺(jué)相似。

　　運5模擬器的操縱負荷系統采用電動(dòng)系統。該系統包括兩個(gè)主要的子系統：操縱負荷計算機子系統和操縱負荷裝置子系統。前者用于計算飛機飛行操縱系統以及作動(dòng)器控制回路的數學(xué)模型，控制器的輸出提供驅動(dòng)作動(dòng)器通道的控制信號；而后者用于將控制信號轉換為電動(dòng)作動(dòng)器的運動(dòng)，驅動(dòng)座艙操縱裝置。

　　1．2 模擬儀表控制系統

　　運5模擬器儀表控制系統是運5模擬器的重要組成部分。該系統主要實(shí)現運5飛機在模擬飛行狀態(tài)時(shí)。各個(gè)儀表在操縱系統作用下的指示，讓操作者有身臨其境的感覺(jué)。運5簡(jiǎn)易模擬器采用運5飛機上的真實(shí)儀表，座艙內基本保持運5飛機結構不變。整個(gè)儀表控制系統的驅動(dòng)信號由模擬信號控制系統和氣壓信號控制系統構成，它結合視景及音響實(shí)時(shí)顯示飛機的飛行姿態(tài)以及所處的高度等。

　　1．3 3D環(huán)幕視景仿真系統

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

　　整個(gè)系統從性能與方便性著(zhù)手。在保證了完美融合效果的基礎上簡(jiǎn)化了系統的控制過(guò)程，使整個(gè)系統更實(shí)用、更人性化。

　　1．4 系統硬件結構設計

　　整個(gè)模擬器以工控機為核心，運行信號均源于操縱負荷系統，操縱負荷系統分為操縱負荷裝置和飛機操縱系統，如圖2所示。其中操縱負荷裝置可以產(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)生相對的運動(dòng)，通過(guò)傳感器對位移，角度進(jìn)行測量。工控機對所收到的信號進(jìn)行分析處理，通過(guò)以太網(wǎng)傳給視景仿真計算機，使視景顯示器顯示相應的視景畫(huà)面：工控機還將分析處理過(guò)的信號通過(guò)適配箱送往座艙儀表，驅動(dòng)儀表顯示相應的數值。

　　2 基于LabWindows／CVI的模擬器軟件實(shí)現

　　2．1 LabWindows／CVl開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇

　　LabWindows／CVI是一個(gè)基于A(yíng)NSI C的交互式可視化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，是美國NI公司推出的面向儀器與測控過(guò)程的C／C++交互式開(kāi)發(fā)平臺。它將功能強大、應用廣泛的C語(yǔ)言與測控專(zhuān)業(yè)工具有機地結合起來(lái)，利用其集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、豐富的函數面板、強大的接口功能、豐富的庫函數以及功能齊全的軟件工具包，大大增強了C語(yǔ)言的功能。它將源代碼編輯、強有力的儀器庫、32位ANSI C編譯、鏈接、調試以及標準ANSI C庫集成在一個(gè)交互式開(kāi)發(fā)環(huán)境中，極大地簡(jiǎn)化了圖形用戶(hù)接口的設計，同時(shí)為使用者提供了靈活的、內置式數據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通信機制。相對于VC、VB等其他開(kāi)發(fā)工具，LabWi-ndows／CVI具有更強的硬件控制和數據分析處理能力，特別適用于各種測試、控制、故障分析及信息處理軟件的開(kāi)發(fā)，尤其是大型復雜的測控軟件，可獲得優(yōu)良的測控性能。在LabWindows／CVI中，還加入了數據庫和網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)的軟件包，使其能夠滿(mǎn)足超大容量數據的存儲和大型分布式遠程網(wǎng)絡(luò )測控系統的開(kāi)發(fā)。

　　鑒于以上LabWindows／CVI的優(yōu)點(diǎn)，考慮到整個(gè)模擬器運行的信號都來(lái)源于操縱負荷系統，這便構成了以操縱負荷系統為主的測控系統。故本項目以L(fǎng)abWindows／CVI虛擬儀器編程語(yǔ)言作為軟件開(kāi)發(fā)平臺。

　　2．2 系統軟件設計實(shí)現

　　2．2．1 軟件結構模塊設計

　　軟件采用模塊化、結構化的設計思想，提高了編程效率，增強了軟件的可維護性和可擴展性。根據需要，系統軟件模塊設計了數據采集、執行控制與輔助三大模塊，具體有以下9個(gè)部分。其整體結構如圖3所示。