工程模擬器信號(hào)傳輸延遲測(cè)試與分析

摘要：建立了一種測(cè)試機(jī)制對(duì)某型號(hào)的工程模擬器駕駛艙操縱器件與視景系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)之間的傳輸延遲進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)傳輸延遲測(cè)試進(jìn)行分析。驗(yàn)證結(jié)果表明，工程模擬器的傳輸延遲符合CCAR60部鑒定準(zhǔn)則模擬機(jī)相應(yīng)等級(jí)的要求。

關(guān)鍵詞：工程模擬器；傳輸延遲；測(cè)試機(jī)制

DOIDOI：10.11907/rjdk.151242

中圖分類號(hào)：TP3-0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16727800（2015）006003803

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：陳磊（1984-），男，山東菏澤人，碩士，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院工程師，研究方向?yàn)楣こ棠M器研制與應(yīng)用、飛行仿真技術(shù)。

0 引言

工程模擬器為人在回路的飛行半實(shí)物仿真平臺(tái)，通過集成能夠形成人感覺的各種物理效應(yīng)設(shè)備[1]，包括視景系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、操縱負(fù)荷系統(tǒng)等，并建立反映飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)等被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)飛行環(huán)境的高逼真模擬。飛行員在工程模擬器中通過操縱駕駛艙控制器件，觀察航電顯示設(shè)備，感受座艙外部視景、運(yùn)動(dòng)等來(lái)對(duì)飛行性能和飛行品質(zhì)、人機(jī)功效、飛機(jī)系統(tǒng)特性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，此外，工程模擬器還可用于對(duì)飛行機(jī)組的相關(guān)培訓(xùn)[2]。

工程模擬器主要由飛行仿真系統(tǒng)、飛控仿真系統(tǒng)、駕駛艙控制器件、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等組成[3]，工程模擬器工作原理如圖1所示。

為保證工程模擬器對(duì)飛機(jī)及其相關(guān)系統(tǒng)模擬的逼真效果，工程模擬器人在回路的仿真必須實(shí)時(shí)運(yùn)行[4]，否則工程模擬器模擬建立的飛行環(huán)境將會(huì)與真實(shí)飛機(jī)情況產(chǎn)生較大偏差。例如飛行員在工程模擬器操縱駕駛桿時(shí)，通過視景獲取的視覺圖像以及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)感應(yīng)該與真實(shí)飛行相一致，不應(yīng)產(chǎn)生滯后或者超前的生理反應(yīng)，否則飛行員將會(huì)對(duì)飛機(jī)的性能和飛行品質(zhì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷和評(píng)價(jià)，誤導(dǎo)工程設(shè)計(jì)人員關(guān)鍵控制參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而影響到飛機(jī)的研制。因此，需要確保工程模擬器對(duì)飛機(jī)及其相關(guān)系統(tǒng)模擬的逼真效果，工程模擬器人在回路的仿真必須實(shí)時(shí)運(yùn)行，否則工程模擬器模擬建立的飛行環(huán)境將會(huì)與真實(shí)飛機(jī)情況產(chǎn)生較大偏差。例如飛行員在工程模擬器操縱駕駛桿時(shí)，飛行員通過視景獲取的視覺圖像以及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)感應(yīng)該與真實(shí)飛行相一致，不應(yīng)產(chǎn)生滯后或者超前的生理反應(yīng)，否則飛行員將會(huì)對(duì)飛機(jī)的性能和飛行品質(zhì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷和評(píng)價(jià)，誤導(dǎo)工程設(shè)計(jì)人員關(guān)鍵控制參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而影響到飛機(jī)的研制。所以需要確保由計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、硬件接口、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、 顯示系統(tǒng)等硬件構(gòu)建的模擬器飛行環(huán)境，其對(duì)駕駛艙控制器件的輸入信號(hào)處理帶來(lái)的傳輸延遲時(shí)間不會(huì)影響模擬器整機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行。

CCAR60部有對(duì)飛行模擬機(jī)為達(dá)到相應(yīng)鑒定等級(jí)所必須滿足的信號(hào)滯后要求，第60.A.1.3模擬機(jī)最低要求條款規(guī)定運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)和駕駛艙儀表的相對(duì)響應(yīng)要密切耦合，以提供綜合的感覺提示，A級(jí)飛行模擬機(jī)的響應(yīng)在飛機(jī)開始響應(yīng)的300ms內(nèi)，B、C、D級(jí)飛行模擬機(jī)的響應(yīng)在飛機(jī)開始響應(yīng)的150ms內(nèi)。傳輸延遲是操縱輸入和相應(yīng)硬件（例如儀表、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和視景系統(tǒng)）響應(yīng)之間的時(shí)間，作為滿足滯后要求的一種替代方法，可用于演示飛行模擬機(jī)系統(tǒng)未超過規(guī)定限制。通過階躍信號(hào)的傳輸來(lái)測(cè)定經(jīng)歷傳輸后的全部延遲，階躍信號(hào)傳輸從駕駛員的操縱開始，經(jīng)過操縱載荷電子設(shè)備，并使用握手協(xié)議，按照正確的順序與全部模擬軟件模塊交聯(lián)，最后通過正常輸出接口到達(dá)儀表顯示、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和視景系統(tǒng)。傳輸延時(shí)只需在每個(gè)軸上測(cè)量一次，與飛行條件無(wú)關(guān)，不包括模擬航空器自身產(chǎn)生的延遲，應(yīng)分別在俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航方向上至少各完成一次測(cè)試，來(lái)演示與飛機(jī)滯后響應(yīng)有關(guān)的模擬機(jī)滯后響應(yīng)[5]。

CCAR60部鑒定準(zhǔn)則是飛行模擬機(jī)達(dá)到相應(yīng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)所必須遵循的規(guī)范，工程模擬器目前還沒有相應(yīng)的研制規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，但是在保證飛機(jī)仿真的實(shí)時(shí)性方面，工程模擬器可以參照飛行模擬機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)施。本文建立一種測(cè)試機(jī)制對(duì)某型號(hào)的工程模擬器駕駛艙操縱器件與視景系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)之間的傳輸延遲進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)傳輸延遲測(cè)試進(jìn)行分析，驗(yàn)證工程模擬器的傳輸延遲是否符合CCAR60部鑒定準(zhǔn)則模擬機(jī)相應(yīng)等級(jí)的要求。

1 測(cè)試機(jī)制

在工程模擬器的操縱器件駕駛桿/腳蹬端施加作用力，當(dāng)駕駛桿/腳蹬位置發(fā)生變化時(shí)，將產(chǎn)生電信號(hào)經(jīng)角位移采集電路、硬件接口傳輸至主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)判斷觸發(fā)有效后，將向視景系統(tǒng)發(fā)出指令，使視景投影器的輸出由黑色變?yōu)榘咨幌蚝诫婏@示系統(tǒng)發(fā)出指令，使得電子飛行儀表顯示器輸出由黑色變?yōu)榘咨幌蜻\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱向向前以5°/s的速度平移。

對(duì)于視景系統(tǒng)及航電顯示系統(tǒng)而言，將角位移傳感器采集并處理后的用于指示駕駛桿/腳蹬位置變化的電平信號(hào)以及亮度傳感器采集并處理后的用于指示投影器/電子飛行儀表顏色變化的電平信號(hào)均輸出到示波器中，觀察信號(hào)在示波器的顯示情況。需要說(shuō)明的是，角位移采集電路內(nèi)部為分立電子元器件，從駕駛桿/腳蹬變化至角位移采集電路完成轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的延遲相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的傳輸延遲可忽略不計(jì)，亮度傳感器對(duì)亮度變化的轉(zhuǎn)換速度相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)傳輸延遲相比亦可忽略不計(jì)，因此通過示波器對(duì)兩種信號(hào)的對(duì)比即可得到操縱器件輸入到視景顯示系統(tǒng)和航電顯示系統(tǒng)的傳輸延遲。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而言，將角位移傳感器采集并處理后的用于指示駕駛桿/腳蹬位置變化的電平信號(hào)以及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下加速度傳感器采集并處理的用于指示運(yùn)動(dòng)平臺(tái)加速度變化的電平信號(hào)均輸出到示波器中，觀察信號(hào)在示波器的顯示情況。加速度傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)加速度變化的轉(zhuǎn)換速度相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的傳輸延遲可忽略不計(jì)，因此通過示波器對(duì)兩種信號(hào)的對(duì)比即可得到操縱器件輸入到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的傳輸延遲。

視景顯示系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的傳輸延遲測(cè)試原理如圖2、圖3、圖4所示。

2 測(cè)試流程

視景顯示系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳輸延遲測(cè)試流程是一致的，具體測(cè)試步驟如下：①將光敏傳感器安裝于投影器前或者航電儀表顯示器前，將加速度傳感器安裝于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上；②按照設(shè)備接口控制文件和傳輸延遲測(cè)試原理框圖連接線纜；③配置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件和示波器；④操作駕駛桿前后動(dòng)作，使俯仰通道產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，記錄示波器的測(cè)試曲線和測(cè)量值；⑤操作駕駛桿左右動(dòng)作，使?jié)L轉(zhuǎn)通道產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，記錄示波器的測(cè)試曲線和測(cè)量值；⑥操作腳蹬前后動(dòng)作，使側(cè)滑通道產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，記錄示波器的測(cè)試曲線和測(cè)量值。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

按照傳輸延遲測(cè)試的具體步驟進(jìn)行測(cè)試，分別得到視景顯示系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的傳輸延遲測(cè)試結(jié)果。

將示波器記錄的駕駛桿俯仰通道輸入至運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰通道輸入至視景系統(tǒng)、俯仰通道輸入至航電顯示系統(tǒng)，其傳輸延遲測(cè)試結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7所示（圖上面的線表示黃色信號(hào)，下面的線表示藍(lán)色信號(hào)）。

如圖5所示，黃色信號(hào)為駕駛桿操縱的觸發(fā)信號(hào)，藍(lán)色信號(hào)為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)，軟件配置為當(dāng)駕駛桿操縱信號(hào)過中點(diǎn)時(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)開始響應(yīng)，因此可以得出駕駛艙俯仰通道至運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的傳輸延遲為73ms。

如圖6所示，黃色信號(hào)為駕駛桿操縱的觸發(fā)信號(hào)，藍(lán)色信號(hào)為視景系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)，軟件配置為當(dāng)駕駛桿操縱信號(hào)開始變化時(shí)視景系統(tǒng)開始響應(yīng)，因此可以得出駕駛艙俯仰通道至視景系統(tǒng)的傳輸延遲為96ms。

如圖7所示，黃色信號(hào)為駕駛桿操縱的觸發(fā)信號(hào)，藍(lán)色信號(hào)為顯示系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)，軟件配置為當(dāng)駕駛桿操縱信號(hào)開始變化時(shí)顯示系統(tǒng)開始響應(yīng)，因此可以得出駕駛艙俯仰通道至顯示系統(tǒng)的傳輸延遲為121ms。

以上為駕駛桿俯仰通道分別傳輸至運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、航電顯示系統(tǒng)的一次傳輸延遲測(cè)試，為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)各通道采用多次測(cè)試的方法。某型工程模擬器各通道傳輸延遲測(cè)試平均值如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過以上測(cè)試結(jié)果可以得出，某型工程模擬器的視景系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)傳輸延遲符合CCAR60部D級(jí)模擬器傳輸延遲時(shí)間不超過150ms的規(guī)定。D級(jí)為模擬器鑒定準(zhǔn)則中模擬器所能獲得的最高級(jí)別，符合D級(jí)模擬器傳輸延遲規(guī)定了意味著某型模擬器能夠滿足人在回路實(shí)時(shí)仿真的基本要求。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 王行仁.飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及其技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫 娟）