基于VC＋＋／GL Studio 的通用飛行組合虛擬儀表設計及實現(xiàn)

安佳寧

（中國人民解放軍92419 部隊，遼寧興城125106）

1 引 言

某飛行視景仿真系統(tǒng)為半實物仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)特定型號無人機的全數(shù)字動態(tài)仿真，能在虛擬三維場景中顯示無人機從起飛前測試到空中飛行的全過程，在此過程中，需要同步顯示無人機的各項飛行參數(shù)。 通過基于VC＋＋的GUI 編程方案來實現(xiàn)參數(shù)的通信、顯示較為成熟，但也存在開發(fā)的界面相對簡單，數(shù)據(jù)不直觀等問題，而通過VC＋＋／GL Studio 的混合編程來開發(fā)圖形化界面以提升數(shù)據(jù)可視化效果是較為可行的技術(shù)途徑［1－3］。

GL Studio 是由美國DISTI 公司開發(fā)的專業(yè)儀表仿真軟件，它運用面向構(gòu)件的圖形化仿真技術(shù)，能夠把繁雜的程序和數(shù)據(jù)變成直觀的儀表圖像進行顯示，使得開發(fā)人員在建模初期就可以實現(xiàn)所見即所得的效果，使仿真的重心從程序的編寫改為對仿真對象的分析和研究［4－6］。

2 飛行組合儀表設計

2.1 組合儀表構(gòu)成及布局

根據(jù)顯示需求，組合儀表應顯示的信息包括無人機姿態(tài)、航向、速度、高度及發(fā)動機油門偏度狀態(tài)。 為此在組合儀表中設計了姿態(tài)顯示器和水平航向指示器。 速度和高度信息采用刻度條表示，分別用于顯示無人機的實時飛行速度和高度信息，發(fā)動機油門偏度狀態(tài)采用儀表刻度盤形式表示。 儀表的布局考慮到視覺可達性，將姿態(tài)顯示器居中，速度和高度刻度條分別在姿態(tài)顯示器左右，下方左邊為水平方位儀，右邊為油門偏度儀表［7］。

2.2 組合儀表詳細設計

儀表的配色：儀表背景為黑色，姿態(tài)顯示器中地面背景為棕褐色，天空背景為藍色；其它儀表中刻度為白色，當前正在起作用的方式為綠色，刻度指示符為綠色［8］。

姿態(tài)顯示器提供姿態(tài)保護告警，當橫滾通道γ ≥30° 時，滾轉(zhuǎn)角指示符顯示為黃色，當γ ≥45°時，滾轉(zhuǎn)角指示符顯示為紅色。

發(fā)動機油門偏度儀表刻度盤中，油門小于70%為綠色，大于70%小于90%為黃色，大于90%為紅色。

2.3 儀表開發(fā)流程

GL Studio 的開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 GL Studio 開發(fā)流程框圖Fig.1 Development flow chart of GL Studio

本項目中，由于無人機沒有駕駛座艙，因此無需按照真實座艙和儀表面板進行仿真，省卻了從照片開始進行處理的環(huán)節(jié)。 儀表的開發(fā)工作直接從創(chuàng)建組件開始，隨后為各組件創(chuàng)建行為屬性，生成C＋＋代碼，在VC 環(huán)境下調(diào)試編譯運行。

2.4 儀表數(shù)據(jù)驅(qū)動機制

視景仿真系統(tǒng)運行時，飛控計算機以有線通信方式向地面測控站發(fā)送下行數(shù)據(jù)，地面測控站按固定幀周期通過以太網(wǎng)向視景仿真系統(tǒng)主控子程序發(fā)送遙測數(shù)據(jù)，驅(qū)動飛機三維模型飛行和儀表顯示。

3 組合儀表軟件實現(xiàn)

3.1 儀表編程

GL Studio 在用于人機界面開發(fā)時，可以各自獨立開發(fā)可重用軟件對象（Reusable Software Object，RSO），然后將其轉(zhuǎn)化成?. gls 組件，最后予以集成實現(xiàn)組合儀表功能。

3.1.1 速度刻度條

在GL Studio 中新建文件，設置窗口屬性，“Create”中通過選擇“Inserts a GlsLinear Scale”、“Line Object”等，生成刻度條及對應刻度數(shù)值。

在Code 中，為類屬性添加float 型成員變量＿altitude，定義高度顯示函數(shù)：

void Altitude（const float＆ value）

該函數(shù)的功能是將輸入的高度參數(shù)按比例在刻度條中移動，實現(xiàn)高度的動態(tài)顯示。

關(guān)鍵代碼為：

glData 為儀表控件通過網(wǎng)絡端口UDP 協(xié)議接收到的飛控數(shù)據(jù)幀。 最后通過“Convert component”將其轉(zhuǎn)化成組件對象。

3.1.2 高度刻度條

高度刻度條控件的設計與速度刻度條類似。

3.1.3 姿態(tài)顯示器

姿態(tài)顯示器用于顯示無人機的俯仰和橫滾角。新建文件，設置窗口屬性，“Create”中通過選擇“Inserts a GlsLinear Scale”、“Line Object”等，生成俯仰通道刻度條及對應刻度數(shù)值。

3.1.3.1 俯仰通道

在Code 中，為類屬性添加float 型成員變量＿pitch，定義俯仰角顯示函數(shù)void Pitch（const float＆value），實現(xiàn)將輸入的角度按比例在刻度條上顯示的功能。

temp 為通過飛控數(shù)據(jù)幀計算出的當前俯仰角值，需要判斷正負。

3.1.3.2 滾轉(zhuǎn)通道

在Code 中，為類屬性添加float 型成員變量＿roll，定義滾轉(zhuǎn)角顯示函數(shù)void Roll（const float＆value），實現(xiàn)將輸入的角度按比例在儀表刻度上顯示的功能。

部分實現(xiàn)關(guān)鍵代碼如下：

temp 為通過飛控數(shù)據(jù)幀計算出的當前滾轉(zhuǎn)角值，需要判斷正負。 最后通過“Convert component”將其轉(zhuǎn)化成組件對象。

3.1.4 水平方位儀

水平方位儀在GL Studio 中新建文件，設置窗口屬性，“Create”中通過選擇“Inserts a Gls Angular Scale”繪制圓盤刻度，再通過“Line Object”、“Text Box”等生成東南西北及刻度數(shù)值。

在Code 中，為類屬性添加float 型成員變量＿heading，定義航向顯示函數(shù)void Heading（const float＆ value），實現(xiàn)將輸入的角度按比例在儀表刻度上顯示的功能。

glData 為儀表控件通過網(wǎng)絡端口UDP 協(xié)議接收到的飛控數(shù)據(jù)幀。 最后通過“Convert component”將其轉(zhuǎn)化成組件對象。

3.1.5 油門偏度

油門偏度控件的設計與水平方位儀類似。

3.1.6 組合儀表的集成

在VC＋＋中新建Standalone AppWizard 工程，進入?.gls，將以上單獨設計的控件分別通過“Inserts a Component”加入組合儀表界面，并按設計界面布局，界面中的文字標注采用貼圖實現(xiàn)，最后在Generation 中生成C＋＋代碼。

4 組合儀表通信接口設計

Sockets 規(guī)范是得到廣泛應用的、開放的、支持多種協(xié)議的網(wǎng)絡編程接口［9］，而網(wǎng)絡通信中常見的是傳輸控制協(xié)議TCP 和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP。 前者面向連接、具有數(shù)據(jù)確認和重傳機制；后者不需要建立連接，實時性較好［10］。 考慮到本項目的實際應用情況，采用了UDP 協(xié)議。

組合儀表處于接收端，首先創(chuàng)建套接字，然后將套接字綁定到一個端口，循環(huán)接收數(shù)據(jù)即可。 關(guān)鍵實現(xiàn)代碼如下：

在初始化函數(shù)Initialize（）中加載套接字庫：

5 編譯調(diào)試

在VC 環(huán)境下編譯調(diào)試，根據(jù)飛控幀協(xié)議對接收的飛控數(shù)據(jù)進行解析處理，并驅(qū)動對應的儀表顯示，運行顯示如圖2所示。

6 結(jié)束語

本文采用VC＋＋／GL Studio 混合編程，實現(xiàn)了某無人機飛行仿真系統(tǒng)的儀表顯示需求，并通過VC＋＋平臺實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)驅(qū)動儀表功能。實際應用表明：該組合儀表人機界面友好，儀表組件可重構(gòu)性好，工作性能可靠穩(wěn)定，能夠適用于其它同類無人機飛行仿真顯示系統(tǒng)和飛行訓練系統(tǒng)。

圖2 飛行組合儀表效果圖Fig.2 Effect picture of flight simulation integrated instrument