CN104269083A - 低成本飞行模拟器座舱显控*** - Google Patents

Abstract

低成本飞行模拟器座舱显控***是一种用于大型飞机空、地勤人员培训的综合训练模拟器座舱显示与控制***，是操控人员和飞行模拟器之间传递信息的界面，由显示和控制两部分组成。该***由模拟座舱、操纵机构、解算控制计算机、仪表仿真计算机、显示器和控制模板组成，显示器显示仪表和各类控制信号，在显示器外安装集成控制旋钮、电门的控制模板实现人机交互，控制模板与显示器按照真实飞机的比例装配，构建模拟座舱。本发明使用了虚拟仪表与控制模板相结合的方法，与基于实物仪表的全硬件模拟器相比，简化了模拟器的设备组成，降低了研制费用，缩短了研发周期，提高了***的设计更改效率，同时，可以解决基于触控技术的虚拟显控***人机交互逼真度不高的问题。

Description

低成本飞行模拟器座舱显控***

技术领域

本发明涉及一种在地面使用的用于大型飞机空、地勤人员培训的综合训练模拟器座舱显示与控制***，是操控人员和飞行模拟器之间传递信息的界面，由显示和控制两部分组成。

背景技术

利用飞行模拟器进行飞行训练，具有节省训练经费、提高训练效率、确保飞行安全、提高训练的主动性和时效性、减少环境污染等诸多优点。因此，在现代飞行训练过程中，大量的使用了飞行模拟器作为辅助的训练手段，要求飞行模拟器具有较高的仿真度。飞行模拟器座舱显控***包括显示和控制两部分，显示部分是飞行员获得信息的界面，主要显示飞机高度、速度、航姿、航向及发动机工作状态等各类信息；而控制是操控人员发布指令的界面，操纵设备、控制开关、旋钮、按钮等状态参数的变化，仪表和指示灯也相应变化。座舱显控***在感观上能够为操控人员创造一种与真实飞机一样的座舱环境，从而与视景仿真***相配合模拟出真实的飞行环境，它是操控人员与飞行模拟器信息传递的平台，是虚拟现实仿真的核心和基础。因此，在大型飞机模拟器的设计过程中，座舱显控***的仿真设计直接影响到飞行模拟器的性能指标。

目前，座舱显控***仿真方法主要有全硬件仿真和基于触控技术的虚拟仿真。全硬件仿真是指用实物仪表和控制面板来搭建座舱显控***，实物仪表是自包含的，也就是本身带有输入输出的能力，仪表上有按钮、旋钮、标度尺、图形等功能，在仪表内部包含有数模、模数转换器、微处理器、存储器、总线等，所有的电路都是固定的。优点是：显示效果逼真，人机交互友好，缺点是：由于飞机座舱仪表数量众多、种类繁杂，无论是改装成品航空仪表还是自行设计开发都需要高昂的费用，构建全硬件座舱显控***的费用会占整体研发费用的40％以上；模拟器中的仪表控制方式和逻辑关系与真实航空仪表不同，需要重新设计表盘和内部传动关系，开发周期长；实物仪表内部结构复杂，模块化程度不高，造成排故难度大、维护费用高；实物仪表功能固定，与其他设备的连接受限制，信息难以转换，可升级能力弱。基于触控技术的虚拟显控***是一种纯虚拟的座舱显控***，应用面向构件的图形化仿真技术和3D技术生成具有三维视觉效果的虚拟仪表画面，通过显示器显示，在显示器上加装触摸屏实现人机交互。虚拟仪表则以计算机为核心，充分利用计算机强大的显示、处理、存储能力来模拟物理仪表的处理过程。虚拟仪表面板上的各种“控件”与传统仪表面板上的各种“部件”所完成的功能是相同的，使用者通过触摸屏输入控制指令，通过解算处理后仪表显示相应的效果。优点是：显示直观，成本低廉，更新升级方便。缺点是：虚拟显控***通过触摸屏实现人机交互，无法模拟带保险或防差错控制开关、旋钮的真实操作过程，不能给操控人员真实的交互感觉，仿真逼真度不高，沉浸感不强；触摸屏控制精度和灵敏度无法满足特情处置时快速准确操作的需要，尤其是同时进行多项操作时，多点触控易受干扰，导致操作流程错误，评价结果不能反映操控人员真实的飞行水平。

发明内容

本发明是一种成本低、精度高、可靠性好、便于维护、使用方便飞行模拟器座舱显控***，可以通过升级软件和控制模板就可以改变成其它机型，具有良好的可扩展性，克服了现有飞行模拟器座舱显控***仿真方法存在的不足。

本发明的技术方案是关于一种低成本飞行模拟器座舱显控***：包括座舱内的驾驶盘、脚蹬、操纵台和仪表显控装置，其中所述的驾驶盘、脚蹬和操纵台采用实物仿真，仪表显控装置是由若干个仪表显示器和集成电门、旋钮的控制模板组成，该装置还包括仪表仿真计算机及接口***、分屏显示卡，显示器显示仪表和各类控制信号，在仪表显示器外安装集成控制旋钮、电门的控制模板实现控制指令的输入，解算控制计算机通过总线采集驾驶盘、脚蹬、油门、旋钮、电门的控制信号发送给仪表仿真计算机，通过驱动程序对仪表进行实时控制，控制模板与显示器按照真实飞机的比例装配，构建模拟座舱，在仪表的三维建模和仿真中使用GL Studio软件开发技术。

一种低成本飞行模拟器座舱显控***，控制模板采用铝板按照仪表板实际尺寸加工而成，仪表的位置、形状与显示器显示部分相对应，在控制模板上安装包含按钮、旋钮的仪表外壳模型，使控制模板与真实座舱保持一致。

本发明的效果在于：利用显示器和控制模板代替全硬件显控***降低了***的设计制造成本，减小了研发周期；该座舱显控***利用控制模板将控制信号传送给主控计算机，然后主控计算机将控制信息传送给虚拟仪表显示，此种交互方式可以解决基于触控技术的虚拟显控***触摸精度不高、多点触控易受干扰导致操作流程错误、不能模拟带保险或防差错控制开关、旋钮的真实操作过程的问题；通过修改软件和改造控制模板就可以将显控***升级到其它机型，适应更高的任务需求，因此，***的可扩展性和可重用性强；整个***通过软件控制，与全硬件显控***相比，没有复杂的设备组成，***长时间工作对硬件损耗较小，可靠性好，使用维护方便。

附图说明

图1是座舱显控***整体布局。

图2座舱显控***硬件结构图。

图3是单块显控单元虚拟仪表布局图。

图4是单块显控单元控制模板布局图。

图5是单块显控单元装配示意图。

图6是虚拟仪表建模过程图。

图7虚拟仪表***流程图。

图中：(1)为左侧操纵面板；(2)为前仪表板(左)；(3)为中央操纵面板；(4)为前仪表板(中)；(5)为前仪表板(右)；(6)为右侧操纵面板；(7)为右侧操纵台；(8)为右脚蹬；(9)为右驾驶盘；(10)为中央操纵台；(11)为左驾驶盘；(12)为左脚蹬；(13)为左侧操纵台。

具体实施方式

本发明的具体实施方式是：构建一种低成本的飞行模拟器座舱显控***，如图1所示，包括左侧操纵面板(1)、前仪表板(左)(2)、中央操纵面板(3)、前仪表板(中)(4)、前仪表板(右)(5)、右侧操纵面板(6)、右侧操纵台(7)、右脚蹬(8)、右驾驶盘(9)、中央操纵台(10)、左驾驶盘(11)、左脚蹬(12)、左侧操纵台(13)。其中，前仪表板(左)(2)、中央操纵面板(3)、前仪表板(右)(5)是飞行人员操控的界面，主要显示飞机姿态、飞行高度、速度、方位等信息；左侧操纵面板(1)、前仪表板(中)(4)是空中机械师操控界面，主要显示发动机各***参数；右侧操纵面板(6)是空中电气师操控界面，主要显示飞机供电***参数。这六个界面是座舱显控***的主界面，显示信息量大，操控频繁，采用虚拟仪表加控制模板的仿真方法构建，降低成本。右侧操纵台(7)、左操纵台(13)主要包括控制电门、旋钮和按钮，因此只需要制作控制模板即可实现操控界面的仿真。右脚蹬(8)、右驾驶盘(9)、左驾驶盘(11)、左脚蹬(12)、中央操纵台(10)是空勤人员传递控制信息的操纵机构，与传感器连接，将控制信息传递给主控计算机进行解算，通过各种仪表进行反馈，各控制机构根据飞机内部实际尺寸加工而成。主控计算机和虚拟仪表计算机安装在舱体内，主控计算机通过接口***与座舱内的全部传感器相连，接收传感器数据，传递给虚拟仪表计算机，虚拟仪表计算机通过分屏显示卡与相应的显示界面相连，将接收到的飞行参数显示到各个界面。

座舱显控***硬件结构如图2所示，仪表仿真计算机(1)通过分屏显示卡驱动前仪表板左、中、右三块显示器，主要显示飞机姿态、飞行高度、速度、方位、发动机主要参数和各类告警信号；仪表仿真计算机(2)通过分屏显示卡驱动左侧操纵面板显示器、右侧操纵面板显示器和中央操纵面板显示器三块显示器，主要显示飞机供电***参数、发动机各分***参数、通信导航***参数。六块控制模板通过安装架与相对应的六块显示器装配在一起，控制模板的电门、旋钮、按钮主要产生各类控制信号通过CAN总线传输给解算控制计算机，实现分散实时采集、控制集中管理、信息资源共享。左操纵台(13)、右操纵台(7)、中央操纵台(10)和操纵机构(8、9、11、12)通过实物仿制，主要产生控制信号和反馈信号，通过CAN总线与解算控制计算机实时通讯。解算控制计算机接收数字量和模拟量2类输入信号，其中数字量输入是由电门、开关、按钮等开关量信号产生，模拟量输入主要是由驾驶盘、脚蹬、油门手柄、旋钮等模拟信号产生；反馈信号为数字量信号，反馈信号主要是将电门、按钮的控制信号反馈给控制模板上的信号灯。解算控制计算机通过以太网将输入信号解算后传送给仪表仿真计算机，仪表仿真计算机将输入的控制信息发布到各个仪表，通过分屏显示卡将三维画面实时传输到各个显示器。

单块显控单元包括仿真计算机、分屏显示卡、显示器和控制模板。仿真计算机采用加固式通用PC机完成图形的生成和驱动，由分屏显示卡驱动显示器完成仪表画面的显示。显示驱动卡需支持1920×1080像素、三通道独立图形驱动输出、具有全屏幕抗锯齿和全屏幕抗混叠功能的可调参分屏显示驱动卡，这样可以减少仿真计算机的数量，节约成本。为实现座舱显控***的整体布局，确保舱内整体视觉效果及不影响操作人员的操纵，显示器外型尺寸的选取控制在控制模板覆盖范围内，保证显示器与控制模板和安装框之间的定位协调。以左面板为例，显示器选用42寸LED液晶显示器，将显示器固定在安装架内，虚拟仪表显示布局与实际比例一致，如图3所示。控制模板采用铝板按照仪表板实际尺寸加工而成，仪表的位置、形状与显示器显示部分相对应，在控制模板上安装包含按钮、旋钮的仪表外壳模型，使控制模板的交互感觉与真实座舱保持一致，控制模板布局(以左面板为例)如图4所示。显示器与控制模板采用螺栓装配，装配示意图如图5所示。由于控制模板与显示器装配后的距离狭小，仪表外壳模型与显示部分已基本将仪表板遮挡范围用尽，为了不使信号电缆暴露在遮挡范围以外，控制器线路板采用集中布局，分二层布置，在有限的使用空间内获得可行的布局。

虚拟仪表软件的设计除了要实现***的基本功能，还要考虑***运行的可靠性、稳定性、高效性和实时性。虚拟仪表软件在设计过程中采用了面向对象思想，利用GL Studio完成虚拟仪表的建模，具体建模过程如图6所示：①创建仪表纹理，即采用图像处理软件制作出所需纹理的图片，如表盘纹理和表针纹理等；②根据仪表的显示要求，创建多边形并贴上纹理，将图形重新命名，指定回调函数和行为等；③将仪表创建成仪表组件，便于重复使用；④在应用程序中添加代码，为仪表创建行为，调用控制函数，如旋转、移动、缩放等，完成对物体的动态控制；⑤将编写的行为代码和图形数据转化为C++类代码；⑥在VC++平台上进行编译和测试，查看显示效果，如果不满意，回到第二步。利用Visual C++编程环境完成虚拟仪表的数据通讯和仪表驱动，程序主要包括以太网数据接收、数据解算、创建共享数据区和仪表驱动等功能模块，图7是虚拟仪表***流程图。由于仪表驱动方程解算复杂，还要同时与其他***进行多路实时通讯，为保证***可靠稳定工作，在设计过程中采用多线程程序设计方法，分别用单独的类来封装仪表驱动、仪表三维模型和数据通讯，有效地利用计算机资源，也便于进行功能扩展和***维护。在数据通讯方面，解算控制计算机使用100M/1000M自适应以太网，以广播方式单向传递数据给仪表仿真计算机，数据接收模块在仪表仿真计算机中开辟数据缓存区，存放接收到的以太网广播数据。虚拟仪表驱动模块按通道的需求从接收到的广播数据缓存区中找出与之对应的数组，通过逻辑判断、非线性处理进行数据解算，经解算的数据以共享内存数据格式存入共享内存数据区，从而完成对仪表控件的显示驱动。

Claims (1)

1.一种低成本飞行模拟器座舱显控***，包括座舱内的驾驶盘、脚蹬、操纵台和仪表显控装置，其中驾驶盘、脚蹬和操纵台采用实物仿真，仪表显控装置是由若干个仪表显示器和集成电门、旋钮的控制模板组成，该装置还包括仪表仿真计算机及接口***、分屏显示卡，显示器显示仪表和各类控制信号，在仪表显示器外安装集成控制旋钮、电门的控制模板实现控制指令的输入，解算控制计算机通过总线采集驾驶盘、脚蹬、油门、旋钮、电门的控制信号发送给仪表仿真计算机，通过驱动程序对仪表进行实时控制，控制模板与显示器按照真实飞机的比例装配，构建模拟座舱，在仪表的三维建模和仿真中使用GL Studio软件开发技术。

其特征在于：控制模板采用铝板按照仪表板实际尺寸加工而成，仪表的位置、形状与显示器显示部分相对应，在控制模板上安装包含按钮、旋钮的仪表外壳模型，使控制模板与真实座舱保持一致。