基于GL?Studio的飛機(jī)儀表仿真的研究

于麗娜 崔佳璐 王欣怡 王佳逸 傅懿婕

摘要：為了更好的實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模擬儀表盤(pán)的仿真，基于GL Studio軟件和VC++6.0進(jìn)行制作，來(lái)進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究飛機(jī)儀表盤(pán)的。虛擬儀表通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與設(shè)備結(jié)合起來(lái)，用戶(hù)可以利用計(jì)算機(jī)軟件自主設(shè)計(jì)儀表的界面和指針來(lái)模擬飛機(jī)儀表，用程序可以實(shí)現(xiàn)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)字實(shí)時(shí)顯示，圖形閃爍，數(shù)據(jù)傳遞等，更便捷的實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模擬儀表的仿真。

隨著我國(guó)通用航空產(chǎn)業(yè)的迅速增長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)通航模擬訓(xùn)練器材的需求巨大。目前，國(guó)內(nèi)在民用航空和通用航空領(lǐng)域逐漸開(kāi)始重視飛行仿真技術(shù)的研究和仿真產(chǎn)品的研制。飛行模擬器儀表仿真系統(tǒng)作為與飛行員主要的交互窗口，它顯示了各種重要的飛行參數(shù)和重要的導(dǎo)航參數(shù)顯示的窗口。GL Studio有內(nèi)建代碼生成器把圖形設(shè)計(jì)創(chuàng)建的文件生成可移植的VC代碼。可進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，實(shí)時(shí)顯示儀表之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，效果直觀逼真。GL Studio開(kāi)發(fā)流程主要包括創(chuàng)建紋理、圖形界面設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四大方面。

一.任務(wù)

依照某直升機(jī)座艙主儀表板，制作仿真儀表。虛擬儀表主要應(yīng)用GL Studio和VC++ 6.0軟件進(jìn)行制作。通過(guò)UDP通訊協(xié)議通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

二.技術(shù)指標(biāo)

2.1統(tǒng)功能

模擬飛機(jī)的真實(shí)座艙儀表環(huán)境，以滿足與飛行有關(guān)數(shù)據(jù)的指示。

2.2仿真系統(tǒng)總體要求

駕駛艙儀表的相對(duì)響應(yīng)密切耦合，可以提供綜合的感覺(jué)提示。這些儀表應(yīng)當(dāng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)駕駛員位置上快速有力的輸入做出響應(yīng)，但不能短于相應(yīng)飛機(jī)在同樣條件下做出響應(yīng)的時(shí)間。

實(shí)時(shí)性：整體系統(tǒng)響應(yīng)延遲時(shí)間：≯120毫秒。

電源：供電電壓：380/220V

電源頻率：50Hz

電壓波動(dòng)：±10%

三.總體設(shè)計(jì)

仿真結(jié)構(gòu)如圖一所示。

該項(xiàng)目制作的虛擬儀表均顯示在LCD上，程序運(yùn)行于航電/接口控制計(jì)算機(jī)上。如圖二所示。

所有仿真的組件，均采用虛擬仿真的形式，其中包含儀表板、儀表、告警燈，按鈕、旋鈕不仿真。

四.開(kāi)發(fā)流程

本次項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)流程如下圖三所示：

4.1 圖形設(shè)計(jì)

圖形設(shè)計(jì)是在儀表開(kāi)發(fā)的第一步，要將大量的飛行信息在有限的儀表面板上顯示，特別要注意布局簡(jiǎn)潔、合理、醒目等?，F(xiàn)在應(yīng)用成熟的飛行儀表界面設(shè)計(jì)有很多，可以從中借鑒，取其精華。以主儀表板為例，主要向駕駛員提供飛機(jī)姿態(tài)、飛行航向、飛行高度、飛行速度等信息。

4.2 創(chuàng)建模型

開(kāi)發(fā)儀表和控制面板，根據(jù)模擬真實(shí)飛行，在仿真面板上完成各種圖形、字符及相關(guān)飛行參數(shù)的顯示，因此必須建立標(biāo)準(zhǔn)字符庫(kù)和圖片庫(kù)。

（1）制作紋理。首先要采集真是紋理數(shù)據(jù)，然后用Photoshop處理，獲得符合要求的png格式紋理貼圖。由于GL Studio對(duì)中文漢字輸入支持不完善，所以把漢字也制作成紋理圖片，這樣還能提高渲染效率。

（2）實(shí)體模型建立。建立儀表圖形、畫(huà)面顯示符號(hào)的模型，先要把每個(gè)儀表頁(yè)面的模型的位置和內(nèi)部層次關(guān)系弄清楚，進(jìn)行初步規(guī)劃。每個(gè)對(duì)象都是多邊形組成，使用GL Studio提供的基本圖形元組合完成，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、剪切、扭曲等操作，能嫁接合成復(fù)雜的實(shí)體。對(duì)于模型中不可模擬的細(xì)節(jié)，還可以用圖片紋理替代，以達(dá)到逼真度的要求。顯示模塊畫(huà)面完成，下一步就要給定義邏輯結(jié)構(gòu)、動(dòng)作程序、執(zhí)行用戶(hù)事件、時(shí)間或數(shù)據(jù)事件觸發(fā)的響應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。這一步一般都是和畫(huà)面模型創(chuàng)建交叉進(jìn)行。

4.3 驅(qū)動(dòng)代碼編寫(xiě)

對(duì)象的行為事件是各個(gè)成員函數(shù)的集合，受外部數(shù)據(jù)的控制，但行為事件本身的驅(qū)動(dòng)程序是在儀表內(nèi)部描述實(shí)現(xiàn)，每個(gè)儀表都有自己獨(dú)立的行為。一般旋轉(zhuǎn)可以使用DynamicRotate（）函數(shù)進(jìn)行控制。發(fā)動(dòng)機(jī)指示和機(jī)組告警系統(tǒng)中燃油、油量、液壓等的指針旋轉(zhuǎn)可以使用MoveObject（）函數(shù)來(lái)完成。讀數(shù)可以使用VaString（）函數(shù)來(lái)完成。

下面介紹主要的驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

（1）旋轉(zhuǎn)（以橫滾刻度尺為例）。首先在界面的Code區(qū)域，用右鍵選擇“Add”選項(xiàng)，然后點(diǎn)擊“Property”選項(xiàng)，在出來(lái)的空白表格內(nèi)填入成員函數(shù)的名字為Indicator ， 類(lèi)型為float ， 然后自動(dòng)派生的成員變量的名字為_(kāi)indicator。在該成員函數(shù)的“set”方法中添加下面代碼：

_clampedValue=CLAMP_VALUE（value，-70.0f，70.0f）;

//把輸入值限定在-70至70，這是因?yàn)闄M滾刻度尺的旋轉(zhuǎn)區(qū)間是-70度到70度

_indicator = _clampedValue;

indicator->DynamicRotate（_indicator，Z_AXIS）; //橫滾刻度尺實(shí)現(xiàn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)

（2）數(shù)字實(shí)時(shí)顯示（以經(jīng)度為例）

成員函數(shù)的名字為L(zhǎng)atitude，類(lèi)型為float，派生的成員變量的名字為_(kāi)latitude。在該成員函數(shù)的“set”方法中添加下面代碼：

_latitude = value;

int degree = （int）_latitude;

int minute =（int）（（_latitude - degree）*60）;

int second = （int）（（（_latitude - degree）*60-minute）*60）;

latitude_text1->VaString（"%d"，degree）; //VaString（）是數(shù)字顯示的函數(shù)

latitude_text2->VaString（"%d"，minute）;

latitude_text3->VaString（"%d"，second）;

（3）表盤(pán)指針的旋轉(zhuǎn)。

needle_path->MoveObject（needle， value）;

output->VaString（"%d"， （int）value）;

（4）數(shù)據(jù)傳遞（以轉(zhuǎn)速為例）。

由于調(diào)用了復(fù)用組件.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，所以數(shù)據(jù)傳遞要用到Resource（）函數(shù)。外部數(shù)據(jù)先傳遞到啟動(dòng)畫(huà)面和主畫(huà)面，然后由它們?cè)賯鬟f到轉(zhuǎn)速組件，控制轉(zhuǎn)速的指針和顏色根據(jù)外部數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的響應(yīng)。

Float clamp_z1=CLAMP_VALUE（（float）z1， 0.0f， 100.0f）;

rpm1->Resource（"Rotate"）<

rpm1->Resource（"ChangeColor"）<

4.4完成最后調(diào)試。

單機(jī)測(cè)試實(shí)際上是簡(jiǎn)化了的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，能驗(yàn)證大部分邏輯關(guān)系，但不能杜絕人為的疏忽和排除實(shí)際運(yùn)行的中可能遇到的狀況。為了驗(yàn)證虛擬座艙儀表系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的可行性、虛擬座艙的功能特性和性能要求，必須要和整個(gè)演示系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)測(cè)試運(yùn)行。

五 結(jié)論

通過(guò)GL Studio軟件和VC++6.0可以對(duì)于飛機(jī)模擬儀表盤(pán)的仿真，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單虛擬儀表的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸和簡(jiǎn)單控制。用軟件和程序?qū)x表盤(pán)實(shí)現(xiàn)更便捷的仿真，表現(xiàn)在：飛機(jī)儀表盤(pán)圖案更加靈活多變，具有很高的逼真性，其次仿真速率更快，效率更高。

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