民用直升機(jī)模擬機(jī)教員臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

常志強(qiáng)+顧宏斌

摘要：教員臺系統(tǒng)（IOS—instructors operating Station）作為直升機(jī)飛行模擬機(jī)的一部分，也是整個(gè)直升機(jī)模擬機(jī)的指令中心。依據(jù)直升機(jī)模擬機(jī)功能特性分析，研制了直升機(jī)飛行模擬機(jī)的教員臺系統(tǒng)。本文研究了直升機(jī)模擬機(jī)教員臺系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造原理和人機(jī)交互界面，并且開發(fā)了一套針對直升機(jī)的常規(guī)訓(xùn)練科目和特定故障的直升機(jī)飛行故障數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用情況表明，該教員臺系統(tǒng)很好的滿足直升機(jī)模擬機(jī)的使用要求。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)飛行模擬機(jī)；教員臺；直升機(jī)故障數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：V226+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0167-04

直升機(jī)與固定翼飛機(jī)在飛行方式、操縱方式和任務(wù)使命上存在著顯著區(qū)別，在研制其飛行模擬機(jī)上也有著特殊的需求。直升機(jī)模擬機(jī)與飛行模擬器在整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和用途上有著高度的相似方面，但是，由于直升機(jī)其獨(dú)特的操作方式、飛行性能和飛行環(huán)境的顯著差異，因此直升機(jī)模擬機(jī)的設(shè)計(jì)要求和功能需求也有著明顯。一臺合格的直升機(jī)飛行模擬器必須能滿足特定的相關(guān)訓(xùn)練功能和模擬飛行要求，而模擬機(jī)是通過教員臺選擇訓(xùn)練項(xiàng)目、設(shè)置飛行參數(shù)和控制環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)模擬飛行過程?？梢哉f教員臺是直升機(jī)模擬機(jī)滿足最初的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需要的最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

飛行仿真（Flight Simulation）是系統(tǒng)仿真學(xué)科的一個(gè)重要組成部分，直升機(jī)模擬機(jī)是一個(gè)典型的人在回路中的仿真系統(tǒng)[1]。直升機(jī)模擬機(jī)在直升機(jī)的設(shè)計(jì)、研制、試飛過程中都起著著關(guān)鍵的作用，尤其可以應(yīng)用在飛行員日常飛行訓(xùn)練上。

1 直升機(jī)模擬機(jī)教員臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

直升機(jī)和固定翼飛機(jī)在飛行特點(diǎn)和操縱方面來有著顯著的區(qū)別，所以在研制其飛行模擬器也有著特殊的要求。在駕駛員操縱方面，直升機(jī)駕駛員通過中央周期變距桿、腳蹬和總槳距桿對直升機(jī)飛行控制，并且直升機(jī)縱、橫、航和總距通道的任一操縱都會引起其它方向的耦合運(yùn)動(dòng)，因此對直升機(jī)的操縱一般比固定翼大飛機(jī)困難許多[2]。

直升機(jī)模擬機(jī)的仿真模型計(jì)算機(jī)通過飛行動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程，解算出直升機(jī)運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)等性能數(shù)據(jù)及飛行員對直升機(jī)的操作響應(yīng)參數(shù)，最終將實(shí)時(shí)的飛行參數(shù)和響應(yīng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x表顯示系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)中，并將各系統(tǒng)的操作響應(yīng)反饋給飛行員，從而完成直升機(jī)飛行模擬整個(gè)過程，如圖1所示。

教員臺系統(tǒng)由控制模塊和交互模塊組成，其中控制模塊是整個(gè)教員臺系統(tǒng)的控制模擬仿真的中心；交互模塊則是模擬機(jī)與人的交互接口，如圖2所示。教員臺系統(tǒng)作為直升機(jī)模擬機(jī)整體的控制中心，教員臺與直升機(jī)模擬機(jī)其他模塊之間必然有著指令交互。通過對各種指令來控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析飛行模擬器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和飛行過程。教員臺主要與直升機(jī)模擬器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互的仿真模型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由仿真模型計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算傳輸。教員臺整體框架是基于Windows7操作系統(tǒng)，界面采用Qt軟件進(jìn)行編譯，采用UDP傳輸協(xié)議，通過以太網(wǎng)和直升機(jī)模擬機(jī)其他系統(tǒng)進(jìn)行連接。交互模塊具備了教員臺所有的常用功能和緊急功能，常用功能能夠方便地控制模擬機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；緊急功能則能保障對直升機(jī)模擬機(jī)和其系統(tǒng)出現(xiàn)意外情況時(shí)應(yīng)對。使用人員可以通過教員臺的交互模塊來完成監(jiān)控模擬機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和指導(dǎo)、管制和監(jiān)督飛行員訓(xùn)練。操作員通過教員臺交互模塊完成對直升機(jī)模擬機(jī)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)反饋和備份直升機(jī)狀態(tài)、飛行狀態(tài)、機(jī)載模型運(yùn)行狀態(tài)。

2 教員臺的功能需求分析

作為直升機(jī)模擬機(jī)的控制中心，教員臺的功能是根據(jù)直升機(jī)模擬機(jī)的整體功能來搭配設(shè)計(jì)的。首先要考慮最基本的要求，人性的控制功能、準(zhǔn)確的信息顯示、齊全的訓(xùn)練功能和簡單便利的操作，最重要的是還要在使用功能上完美契合整體模擬機(jī)的運(yùn)行。這里把教員臺的功能主要分為四個(gè)部分，基本設(shè)置功能、顯示功能、訓(xùn)練控制功能、和其他輔助功能，如圖3所示。

基本設(shè)置功能作為模擬機(jī)教員臺系統(tǒng)的功能中最為核心功能，由交互模塊下達(dá)指令和控制模塊傳輸出設(shè)置參數(shù)道直升機(jī)模擬仿真中心，基本的設(shè)置功能分為直升機(jī)模擬參數(shù)設(shè)置、環(huán)境參數(shù)設(shè)置和訓(xùn)練科目設(shè)置。（1）直升機(jī)模擬參數(shù)設(shè)置是對直升機(jī)狀態(tài)參數(shù)和位置參數(shù)的配置。直升機(jī)狀態(tài)參數(shù)包括燃油量，直升機(jī)總重、重心，括油門桿、總槳距位置參數(shù)等；模擬機(jī)狀態(tài)設(shè)置有模擬機(jī)的運(yùn)行、維護(hù)和更新。另外，為了系統(tǒng)更加人性化方便平時(shí)操作，單獨(dú)建立了快速設(shè)置按鈕、復(fù)位設(shè)置按鈕和凍結(jié)設(shè)置按鈕，我們會在界面交互設(shè)計(jì)章節(jié)具體解釋。（2）環(huán)境參數(shù)設(shè)置主要是氣象環(huán)境條件和地理位置設(shè)置。氣象環(huán)境條件設(shè)置值為某次飛行訓(xùn)練配置天氣條件數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)，包括訓(xùn)練時(shí)段（黎明、白天、黃昏、夜晚）、風(fēng)切變、微暴、降雨、降雪、霧、風(fēng)、云、可見度、海平面氣壓、溫度等[3]。地理位置設(shè)置主要是停機(jī)坪位置的設(shè)定，指在特定的經(jīng)緯度地點(diǎn)起飛降落，平臺區(qū)域的大小、周圍環(huán)境變量。（3）訓(xùn)練科目設(shè)置主要分為選擇訓(xùn)練科目和選擇故障設(shè)置。飛行訓(xùn)練設(shè)置主要是針對直升機(jī)的正常起、落、航線訓(xùn)練，還有一些難度大和危險(xiǎn)系數(shù)高的特殊飛行訓(xùn)練設(shè)置。依據(jù)CCAR-60和訓(xùn)練大綱編譯了基本直升機(jī)訓(xùn)練科目，存儲于的直升機(jī)飛行故障數(shù)據(jù)庫中，使用人員能夠非常方便的選擇和設(shè)置訓(xùn)練科目，并可以修改特定飛參數(shù)；故障設(shè)置是指由于飛行員操作或飛行環(huán)境改變引起的直升機(jī)某個(gè)部件或者某個(gè)系統(tǒng)故障進(jìn)而一起整個(gè)直升機(jī)的飛行狀態(tài)的異常。在設(shè)計(jì)原理上模擬故障的狀態(tài)能夠由飛行員的不正確操作激活，也可以在教員臺交互界面上進(jìn)行激活，同理，如果飛行員恰當(dāng)?shù)牟僮髦鄙龣C(jī)可該處故障狀態(tài)，也可以經(jīng)過教員臺設(shè)置去掉部分或全故障。

顯示功能，是能夠直觀的監(jiān)視模擬機(jī)各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、可視化的反饋飛行員的操作，可以方便的監(jiān)視直升機(jī)性能參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和飛行曲線的變化，如高度、速度、航向、燃油量、姿態(tài)和飛行時(shí)間等；飛行儀表顯示包括直升機(jī)上所有飛行儀表顯示，如無線電高度表、空速表、氣壓高度表、升降速表、油料表和導(dǎo)航儀等儀表的顯示內(nèi)容的輸出。訓(xùn)練控制功能，是整個(gè)教員臺功能中的核心功能，控制模擬機(jī)和其他系統(tǒng)的起動(dòng)、停止、重放和初始化等[4]。其他輔助功能，是為了實(shí)現(xiàn)整體目標(biāo)功能的其他輔助性結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)功能，主要是通訊和接口功能。主要包括教員臺控制模塊與交互模塊之間的通訊功能；教員臺系統(tǒng)與模擬機(jī)其他系統(tǒng)之間的信息交互的接口設(shè)計(jì)。endprint

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 界面與交互

教員臺可以視為一個(gè)軟件包，其應(yīng)用是管理訓(xùn)練任務(wù)[5]。從這種意義上講，教員臺系統(tǒng)需要提供一個(gè)優(yōu)化的用戶界面使得使用人員能夠高效便捷的使用。教員臺整體界面布局大體上采用左右分塊邊欄的布局，其中在屏幕右邊欄又分為上中下三部分，從上到下分別是基本模擬參數(shù)模塊、故障設(shè)置模塊和模擬機(jī)控制模塊，如圖4所示?；灸M參數(shù)模塊的設(shè)置顯示了直接影響模擬飛行的關(guān)鍵變量參數(shù)，如經(jīng)度、緯度、空速、爬升率、燃油重量和燃油溫度。中間模塊用來顯示訓(xùn)練科目的選擇、具體飛行數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)設(shè)置、飛行曲線和氣象參數(shù)設(shè)置等的選項(xiàng)按鈕，可以進(jìn)一步交互顯示相關(guān)具體詳細(xì)信息。最下模塊主要集成了整體模擬機(jī)的控制指令按鈕，如程序啟動(dòng)、暫停、凍結(jié)和退出程序等。界面的的左側(cè)欄占了大多數(shù)空間，可用于顯示對應(yīng)具體選項(xiàng)的下一步交互指令顯示對象，包括具體的系統(tǒng)參數(shù)、航圖顯示、氣象信息參數(shù)信息和飛行信息等。

具體的交互設(shè)置包括交互層數(shù)和輸入輸出的設(shè)定。如果選中某項(xiàng)命令，就會打開對話框并根據(jù)用戶選擇激活下一層對話框。大部分交互選項(xiàng)不超過3層交互，如果交互層過多很容易迷失方向，由于錯(cuò)誤選擇會造成深陷其中[6]。在最上層，使用最多的操作包括：教員臺的全局管理、建立直升機(jī)的初始飛行條件、選擇氣象、數(shù)據(jù)記錄和回放和顯示航路相關(guān)信息。這些信息選項(xiàng)在右側(cè)邊欄是恒定顯示的，之后選定后的第二層、第三層交互信息流動(dòng)的直接、完全的顯示于左邊框架內(nèi)，如圖5所示。

在人在的回路交互模型中，需要有相應(yīng)的輸入方式，這里采用觸摸屏幕的輸入方式，可觸摸屏幕可以很好解決。對于數(shù)據(jù)的輸入方法針對不同的類型參數(shù)選擇不同的輸入方法，如某些數(shù)據(jù)的數(shù)值很大或不需要精確輸入，選擇百分比的比值輸入方法，如直升機(jī)燃油油量的數(shù)據(jù)等。另外一些數(shù)據(jù)必須要求輸入精確的數(shù)值，但需要設(shè)置上下限，如風(fēng)向、迎角等。

3.2 故障設(shè)置

故障設(shè)置作為整個(gè)控制模塊中最核心的邏輯運(yùn)算部分，同時(shí)也是最難實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)故障設(shè)置的首先條件就是必須對直升機(jī)結(jié)構(gòu)功能有相當(dāng)深刻的理解，尤其是各種系統(tǒng)功能構(gòu)造之間的會造成相關(guān)故障的邏輯關(guān)系。例如設(shè)置條件故障時(shí)，會伴隨有其邏輯解算方法，假如通過交互模塊上輸入了一個(gè)條件故障，接下來模擬仿真計(jì)算機(jī)需要考慮直升機(jī)在現(xiàn)實(shí)飛行的與設(shè)置的故障所有相關(guān)的因素，最后將這些因素的影響用邏輯算法和程序代碼表現(xiàn)出來，并且在模擬仿真過程中計(jì)算機(jī)對相應(yīng)的因素進(jìn)行分析計(jì)算。在教員臺的控制模塊邏輯中，根據(jù)故障所在直升機(jī)的系統(tǒng)不同進(jìn)行歸類的，如液壓系統(tǒng)故障、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障、旋翼系統(tǒng)故障等，在每個(gè)系統(tǒng)故障又可以分為該故障類的具體故障部位、零件等。就理論上而言在教練員上要能設(shè)置真實(shí)直升機(jī)飛行中所有可能發(fā)生的故障，但在實(shí)際研究中非常難模擬仿真出理論上全部的可能性故障。依照以上的故障分類方法可以有以下兩種邏輯方式：

（1）實(shí)時(shí)故障。實(shí)時(shí)故障就是指在模擬直升機(jī)飛行過程中，教員臺上可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行故障設(shè)置，實(shí)時(shí)的模擬故障效果，當(dāng)取消故障設(shè)置時(shí)故障效果即刻恢復(fù)。這種邏輯方式的故障在控制模塊的邏輯中很簡單，用代碼1和0就可以解決，其中1表示激活、0表示冷置。（2）條件故障。條件故障的邏輯方式是指在交互模塊上點(diǎn)擊激活故障之后，仍然需要達(dá)到的某些預(yù)設(shè)的觸發(fā)條件才能使模擬機(jī)模擬故障狀態(tài)，預(yù)設(shè)的觸發(fā)條件一般有飛行時(shí)間、航程或其它的仿真變量等。當(dāng)變量變化超過特定的預(yù)設(shè)值時(shí)觸發(fā)模擬故障，當(dāng)模擬機(jī)脫離了故障持續(xù)階段后故障自動(dòng)解除，也可以在教練員臺的交互模塊上取消故障。

3.3 故障數(shù)據(jù)庫

為了管理訓(xùn)練課目數(shù)據(jù)和故障設(shè)置數(shù)據(jù)，軟件采用了Qt數(shù)據(jù)庫控件構(gòu)建的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，分別是訓(xùn)練科目數(shù)據(jù)庫和直升機(jī)故障數(shù)據(jù)，具備了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)刪除和數(shù)據(jù)輸出的功能。訓(xùn)練科目數(shù)據(jù)庫內(nèi)容數(shù)據(jù)主要內(nèi)容包括模擬飛行訓(xùn)練科目管理信息、訓(xùn)練科目數(shù)據(jù)信息和學(xué)習(xí)資料等數(shù)據(jù)。直升機(jī)故障數(shù)據(jù)是通過搜集、分析、整理了近年來所有國內(nèi)外該直升機(jī)機(jī)型的飛行故障調(diào)查報(bào)告，仔細(xì)分析、總結(jié)造成事故的直接原因，進(jìn)而分析由直接原因引起的直升機(jī)某些系統(tǒng)的故障，最后設(shè)計(jì)對應(yīng)的直升機(jī)仿真模型中的邏輯變量，來設(shè)置相應(yīng)的故障。應(yīng)當(dāng)指出的是，并非所有的直升機(jī)事故調(diào)查的直接原因都是故障引起的，絕大多數(shù)部分事故直接原因是人為因素，還有相當(dāng)于一部分的事故調(diào)查直接原因是違規(guī)引起的，其中由于故障引起的事故比例只有不到12.4%。以這些數(shù)據(jù)作為基本參考開發(fā)了一套針該直升機(jī)機(jī)型的特定的故障事故數(shù)據(jù)庫，再把可能事故故障類型，故障參數(shù)、故障系統(tǒng)，預(yù)先存儲于教員臺的飛行故障數(shù)據(jù)庫中供選擇數(shù)據(jù)設(shè)置。

4 結(jié)語

一套簡單、易用、人性化的教員臺系統(tǒng)對直升機(jī)模擬機(jī)整體的實(shí)用性來說至關(guān)重要。本文主要介紹了直升機(jī)模擬機(jī)教員臺系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，界面交互、故障設(shè)置以及構(gòu)建飛行故障數(shù)據(jù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，針對性的開發(fā)了一套實(shí)用性很強(qiáng)的教員臺系統(tǒng)，很好的配套了整體直升機(jī)模擬機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用。

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Abstract：Instructors Operating Station （IOS） is a part of the helicopter flight simulator， and it is the command center of the whole helicopter simulator. According to the analysis of helicopter simulator's function， an advanced IOS system for helicopter flight simulator has been developed. This paper studies the overall structure， construction principle and the man-machine interface of helicopter simulator IOS system， and a helicopter flight fault database system has been developed for the routine training subjects and specific faults of helicopters The practical application shows that the IOS system can meet the requirement well of helicopter simulator.

Key Words：Helicopter Flight Simulator， Instructor Operating Station（IOS）， Helicopter Flight Fault Databaseendprint