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)境實現(xiàn)飛行模擬器測控系統(tǒng)的設(shè)計過程。介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，同時描述了利用軟件的方法實現(xiàn)操縱負荷系統(tǒng)信號的采集、控制TCP通信，自動參數(shù)測試等功能。實際使用表明：該系統(tǒng)操作方便，人機界面友好，工作性能穩(wěn)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5簡易飛行模擬器設(shè)備，該項目以真實的運5飛機為載體，以LabWindows／CVI為開發(fā)環(huán)境，主要面向?qū)W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，僅涉及了飛機飛行過程一些飛機飛行過程中的必須設(shè)備和必須功能，因此，對模擬器簡易化處理后，它主要包括儀表控制系統(tǒng)、操縱負荷系統(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)義稱操縱負荷系統(tǒng)，是整個項目的核心，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操縱感覺時的負荷感覺，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的響應(yīng)。操縱負荷系統(tǒng)分為操縱負荷裝置和飛機操縱系統(tǒng)模型兩部分。其中。操縱負荷裝置用于產(chǎn)生實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操縱系統(tǒng)的各種力的形成。通過這兩部分的集成，仿真實現(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飛機中的體驗感覺相似。

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

　　1．2 模擬儀表控制系統(tǒng)

　　運5模擬器儀表控制系統(tǒng)是運5模擬器的重要組成部分。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)運5飛機在模擬飛行狀態(tài)時。各個儀表在操縱系統(tǒng)作用下的指示，讓操作者有身臨其境的感覺。運5簡易模擬器采用運5飛機上的真實儀表，座艙內(nèi)基本保持運5飛機結(jié)構(gòu)不變。整個儀表控制系統(tǒng)的驅(qū)動信號由模擬信號控制系統(tǒng)和氣壓信號控制系統(tǒng)構(gòu)成，它結(jié)合視景及音響實時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(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)、像素級的邊緣集合校正、羽化處理。最后實現(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)上簡化了系統(tǒng)的控制過程，使整個系統(tǒng)更實用、更人性化。

　　1．4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　整個模擬器以工控機為核心，運行信號均源于操縱負荷系統(tǒng)，操縱負荷系統(tǒng)分為操縱負荷裝置和飛機操縱系統(tǒng)，如圖2所示。其中操縱負荷裝置可以產(chǎn)生實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，通過傳感器對位移，角度進行測量。工控機對所收到的信號進行分析處理，通過以太網(wǎng)傳給視景仿真計算機，使視景顯示器顯示相應(yīng)的視景畫面：工控機還將分析處理過的信號通過適配箱送往座艙儀表，驅(qū)動儀表顯示相應(yīng)的數(shù)值。

　　2 基于LabWindows／CVI的模擬器軟件實現(xiàn)

　　2．1 LabWindows／CVl開發(fā)環(huán)境的選擇

　　LabWindows／CVI是一個基于ANSI C的交互式可視化軟件開發(fā)環(huán)境，是美國NI公司推出的面向儀器與測控過程的C／C++交互式開發(fā)平臺。它將功能強大、應(yīng)用廣泛的C語言與測控專業(yè)工具有機地結(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，大大增強了C語言的功能。它將源代碼編輯、強有力的儀器庫、32位ANSI C編譯、鏈接、調(diào)試以及標準ANSI C庫集成在一個交互式開發(fā)環(huán)境中，極大地簡化了圖形用戶接口的設(shè)計，同時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，也可以建立TCP／IP通信機制。相對于VC、VB等其他開發(fā)工具，LabWi-ndows／CVI具有更強的硬件控制和數(shù)據(jù)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發(fā)，尤其是大型復(fù)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(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)的存儲和大型分布式遠程網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的開發(fā)。

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

　　2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計實現(xiàn)

　　2．2．1 軟件結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計

　　軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)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(jù)需要，系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計了數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行控制與輔助三大模塊，具體有以下9個部分。其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。