一种具有高实时性的飞行仿真系统技术方案

本发明专利技术一种具有高实时性的飞行仿真系统，它是由三轴飞行仿真转台系统和外部控制计算机系统两大部分组成。它们之间的位置连接关系是：三轴飞行仿真转台系统是物理效应的执行机构，外部控制计算机系统是物理效应指令的发出者，外部控制计算机系统将仿真的姿态结果通过反射光纤网络发送到三轴飞行仿真转台系统，由后者进行实时的姿态响应。本发明专利技术使用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立仿真模型，计算机硬件采用ＣＰＣＩ总线型式，使用光纤交换机组建反射内存光纤网络，仿真通过光纤网络与转台系统的通信采用中断响应机制以及ＡｐｐＳｉｍ仿真软件的使用，构成本发明专利技术的五大优势。它在飞行控制与仿真技术领域里具有实用价值和广阔地应用前景。

【技术实现步骤摘要】
(一)
本专利技术涉及飞行器飞行姿态地面半实物仿真系统的结构，以及该系统中的重要物理效应设备和通信扩展接口；尤其涉及一种具有高实时性的飞行仿真系统，它适用于飞行器地面飞行姿态半实物仿真试验及全系统地面试验，属于飞行控制与仿真
(二)
技术介绍
飞行器地面半实物仿真技术在飞行器系统设计和整个研发过程中具有重要的工程意义，现已广泛的应用于航空航天领域。完整的闭环半实物仿真系统主要由仿真计算机、物理效应设备和接口设备组成，其中物理效益设备是实现系统仿真所需要的重要中间环节，用于模拟复现真实世界的物理环境，但这些设备的引入必然给仿真系统带来失真和误差，其动态特性、静态特性和时间延迟都将对整个仿真系统的置信度和精度产生重要影响。实时性是衡量半实物仿真系统仿真能力的关键指标。飞行仿真转台是进行飞行器飞行姿态地面半实物仿真试验的重要物理效应设备，具有内、中、外三个框架，用于模拟飞行器在空间姿态角度和角速度的变化，其主要功能是模拟飞行器三个自由度的角运动，复现飞行器的姿态角；在仿真回路中，接收并跟踪仿真机发送的三框位置指令信号，将其转换为可被传感器测试的物理运动，为被测试件提供试验条件。飞行仿真转台的性能优劣直接关系到仿真试验的可靠性和置信度，是保证航空、航天系统精度和性能的基础，因此对转台提出了较高的技术指标。目前转台系统一般采用集散控制系统机制，并具有位置模式、速率模式和仿真模式三种工作模式。随着网络通信技术的发展，飞行仿真转台在用于半实物仿真试验时，已逐渐由独立试验转台变为包括转台在内的多个相关实验设备同时进行联网的仿真试验，甚至形成更大规模的半实物仿真试验网络，以满足越来越复杂的仿真试验要求。可见，研究一种可联网控制并具有高实时性的飞行仿真转台具有重要的实际意义。在半实物仿真试验中各设备间的接口通讯方式直接影响到整个系统的跟踪速度、跟踪精度、干扰抑制、噪声衰减等性能。研究高实时性、系统配置灵活、可扩展能力强的通讯接口技术对整个仿真系统性能的提升都具有重要的实际意义。现在的研究对系统设备的通讯接口技术涉及较少。一般仿真系统由于受到系统硬件结构及通信接口带宽的限制，仿真周期大多在5ms以上，由此造成的延时对于实时性要求较高的飞行仿真试验效果有较大影响。部分仿真系统采用双口RAM卡与仿真计算机通信，从而实现外控模式，虽然提高了硬件的速度，但由于系统配置复杂，不能满足实际应用中对于多种仿真对象、多种物理效应设备以及视景仿真功能的升级与扩展的需求。本文采用反射内存光纤网络及中断响应机制的技术构建的仿真系统，利用光纤网络强大的扩展能力以及中断响应机制在反射内存网中的1ms仿真周期的高速通信能力，使系统具有较高的实时性和强大的扩展能力。系统配置灵活能够满足多种飞行器飞行姿态仿真的性能要求以及多种物理效应设备的集成，并且易于实现视景仿真等扩展功能的开发。-->(三)
技术实现思路
1、目的：本专利技术目的是提供一种具有高实时性的飞行仿真系统，它克服了现有技术的不足，是一种采用外部光纤网络通讯控制，具有高实时性和可扩展性的飞行仿真系统。2、技术方案：见图1，本专利技术一种具有高实时性的飞行仿真系统，由三轴飞行仿真转台系统和外部控制计算机系统两大部分组成。它们之间的位置连接关系是：三轴飞行仿真转台系统是物理效应的执行机构，外部控制计算机系统是物理效应指令的发出者，外部控制计算机系统将仿真的姿态结果通过反射光纤网络发送到三轴飞行仿真转台系统，由后者进行实时的姿态响应。所述三轴飞行仿真转台系统，包括三轴飞行仿真转台台体1、三轴飞行仿真转台控制上位机2和三轴飞行仿真转台控制下位机3，采用了集散式控制机制，以上、下位机形成两级控制结构，实现了系统的分散直接控制和集中综合监控管理功能。它们之间的位置连接关系是：三轴飞行仿真转台台体1为安装惯性导航单元的直接物理效应输出设备，它与三轴飞行仿真转台控制下位机3通过电缆直接相连，后者将姿态控制信号传送给前者的控制电机，实现对前者三框的角度控制，对安装在其上的惯性导航单元产生姿态的激励输入。三轴飞行仿真转台控制上位机2与三轴飞行仿真转台控制下位机3之间采用网络形式进行通讯，选用100M高速以太网卡所述外部控制计算机系统，包括光纤交换机4、CPCI仿真机5和仿真控制开发主机6；它们之间的位置连接关系是：仿真控制开发主机6将设计的控制律及模型的仿真代码下载到CPCI仿真机5，后者将模型计算的姿态数据通过光纤交换机4实时传送给三轴飞行仿真转台控制下位机3，从而实现三轴飞行仿真转台台体1的实时仿真运动。该三轴飞行仿真转台台体1，是三轴飞行仿真转台系统的主体部分，主要由内中外三个框架、轴系、底座和驱动测量部件组成；它们之间的位置连接关系是：底座上端面安装外框轴系，中框轴系置于外框架上，内框轴系置于中框架上，电机、码盘和导电环同轴安装。该底座采用HT200铸件，底部安装有三个可调地脚用于调整台体的水平；该内中外三个框架及轴系为“U-O-O”型立式结构，即外框架为U型框式结构，中框架和内框架为全封闭O型框架结构，各框架均装有定位销，以方便运输及负载安装，内框架旋转代表飞行器的滚转运动，中框架旋转代表飞行器的俯仰运动，外框架旋转代表飞行器的偏航运动。该驱动部件是精密直流力矩电机，直接驱动三个框架运动；该测量部件是光电编码盘，测量三个框架的角位置。三轴飞行仿真转台台体1接收来自三轴飞行仿真转台控制下位机3的指令信号，复现飞行器的飞行姿态。该三轴飞行仿真转台控制上位机2，采用台湾研华公司的PIII1G工控机，19″标准机箱，上位机软件运行平台可以为Windows 98、Windows 2000和Windows XP等操作系统之一，软件开发平台为Visual C++6.0。三轴飞行仿真转台控制上位机2为操作者提供人机界面，是三轴飞行仿真转台系统的集中监控、综合管理级，主要实现系统实时在线综合管理、性能检测、安全保护及监控功能。三轴飞行仿真转台控制上位机2可设置三轴飞行仿真转台系统在三种工作模式工作下：仿真模式、位置模式和速率模式。设置在位置模式时，通过控制上位机2可直接设置并发送三框位置指令至控制下位机3，实现对三轴飞行仿真转台台体1的角度控制，该工作模式可用于仿真试验进行前验证系统工作是否正常，同时也可对相关导航电子设备进行静态位置测试；设置在速率模式时，通过控制上位机2可直接-->设置并发送三框速率指令至控制下位机3，实现对三轴飞行仿真转台台体1的速率控制，该工作模式可用于仿真试验进行前验证系统工作是否正常，同时也可对相关导航电子设备进行静态速率测试；设置在仿真模式时，三轴飞行仿真转台系统可直接由控制下位机3接收CPCI仿真机5发送的飞行姿态数据，将飞行器飞行过程所实测得的三维姿态角数据或由飞行器数学模型解算的三维姿态角数据传送到下位机系统中，用以复现飞行器的偏航、俯仰和滚转运动，使安装在内框上的惯性导航单元能够实时测量得到飞行器的飞行姿态数据，进行地面仿真试验。仿真工作模式是三轴飞行仿真转台控制上位机2软件的核心，为系统仿真试验提供服务。该三轴飞行仿真转台控制下位机3，采用台湾研华公司的PIII1G工控机，19″标准机箱，下位机软件运行于单任务处理的DOS6.22操作系统，软件开发平台为Borland C+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高实时性的飞行仿真系统，其特征在于：它是由三轴飞行仿真转台系统和外部控制计算机系统两大部分组成；它们之间的位置连接关系是：三轴飞行仿真转台系统是物理效应的执行机构，外部控制计算机系统是物理效应指令的发出者，外部控制计算机系统将仿真的姿态结果通过反射光纤网络发送到三轴飞行仿真转台系统，由后者进行实时的姿态响应；所述三轴飞行仿真转台系统，包括三轴飞行仿真转台台体（１）、三轴飞行仿真转台控制上位机（２）和三轴飞行仿真转台控制下位机（３），它们之间的位置连接关系是：三轴飞行仿时感受飞行器的三维飞行姿态；该三轴飞行仿真转台控制下位机（３），采用台湾研华公司的ＰＩＩＩ１Ｇ工控机，是以ＢｏｒｌａｎｄＣ＋＋为开发平台开发的ＤＯＳ应用程序，该软件用于接收上位机下达的指令并对三轴转台进行实时控制；三轴飞行仿真转台控制台下位机是转台控制系统的直接控制级，用以构成转台内、中、外框三个独立的伺服控制回路；为保证控制的实时性，三轴飞行仿真转台控制台下位机的操作系统为ＤＯＳ，软件用标准Ｃ语言编制；三轴飞行仿真转台控制台上、下位机之间的通讯采用网络形式，并选用１００Ｍ高速以太网卡；三轴飞行仿真转台控制台下位机配置反射内存卡及符合规定的通讯协议的接口软件，仿真周期时间可设置，最小仿真周期１ｍｓ；仿真通讯卡选用美国通用电气公司生产的型号为ＶＭＩＰＭＣ－５５６５反射内存卡，动态数据包大小从４到６４字节，双ＤＭＡ通道使得ＣＰＵ的负担降到最小，支持高达１２８ＭＢ　ＲＡＭ，稳定的１７０ＭＢ／ｓ传输速率；该光纤交换机（４）选用美国通用电气公司生产的型号为ＶＭＩＡＣＣ－５５９５光纤交换机，有１到８个口可配置，可插拔收发器，支持单模或者多模模式，用于构建星形反射内存光纤网络，网络传输延迟小于７００ｎｓ；该ＣＰＣＩ仿真机（５）采用德国ＲＩＴＴＡＬ公司的ＤＫ－ＰＳ型服务器机柜，是工业标准机架式设备，其上安装德国ＥＬＭＡ公司生产的ＣＰＣＩ机箱，提供了８个６Ｕ插槽用于安装和扩展ＣＰＣＩ板卡；采用工业领域广泛应用的Ｃｏｍｐａｃｔ　ＰＣＩ（ＣＰＣＩ）总线，在电气、逻辑和软件方面，与ＰＣＩ标准完全兼容；实时仿真机采用ＶｘＷｏｒｋｓ　Ｖ５．５实时操作系统，构建半实物仿真系统时，通过ＣＰＣＩ仿真机（５）上的Ｉ／Ｏ接口将仿真模型的输入、输出分别和实际系统及仿真外围设备连接起来；该仿真控制开发主机（６），为普通的ＰＣ机，其上安装Ｍａｔｌａｂ仿真软件和Ｔｏｒｎａｄｏ用户开发环...

【技术特征摘要】
1.一种具有高实时性的飞行仿真系统，其特征在于：它是由三轴飞行仿真转台系统和外部控制计算机系统两大部分组成；它们之间的位置连接关系是：三轴飞行仿真转台系统是物理效应的执行机构，外部控制计算机系统是物理效应指令的发出者，外部控制计算机系统将仿真的姿态结果通过反射光纤网络发送到三轴飞行仿真转台系统，由后者进行实时的姿态响应；所述三轴飞行仿真转台系统，包括三轴飞行仿真转台台体(1)、三轴飞行仿真转台控制上位机(2)和三轴飞行仿真转台控制下位机(3)，它们之间的位置连接关系是：三轴飞行仿真转台台体(1)为安装惯性导航单元的直接物理效应输出设备，它与三轴飞行仿真转台控制下位机(3)直接相连，后者将姿态控制信号传送给前者的伺服电机，从而实现对前者三框的角度控制，对安装在其上的惯性导航单元产生姿态的激励输入；所述外部控制计算机系统，包括光纤交换机(4)、CPCI仿真机(5)和仿真控制开发主机(6)；它们之间的位置连接关系是：仿真控制开发主机(6)将生成的控制律及模型的仿真代码下载到CPCI仿真机(5)，后者将模型计算的姿态数据通过光纤交换机(4)实时传送给三轴飞行仿真转台控制下位机(3)，从而实现三轴飞行仿真转台台体(1)的实时仿真运动；该三轴飞行仿真转台台体(1)，是三轴飞行仿真转台系统的主体部分，主要由三个外中内框架及轴系、底座和驱动测量部件组成；它们之间的位置连接关系是：底座上端面上安装外框轴轴系，中框轴置于外框架上，内框轴置于中框架上，电机、码盘和导电环同轴安装；该底座采用HT200铸件，底部安装有三个可调地脚可调整台体的水平；该三个外中内框架及轴系为“U-O-O”型立式结构，即外框架为U型框式结构，中框架和内框架为全封闭O型框架结构，各框架均装有定位销，内框架旋转轴表示飞行器的滚转运动，中框架旋转轴表示俯仰运动，外框架旋转轴表示偏航运动，各框架均采用力矩电机直接驱动；该驱动测量部件是光电码盘，它测量角度；三轴飞行仿真转台台体(1)接收来自控制台的指令信号，复现飞行器的飞行姿态；该三轴飞行仿真转台控制上位机(2)，其操作台采用的是基于上下位机体系的分布式监控系统，采用台湾研华公司的PIII1G工控机，上位机软件是以Visual C++6.0为开发平台开发的Windows单文档应用程序；该软件主要用于系统仿真命令的下达和系统运行状态的监控；上位机形成转台系统的集中监控、综合管理级，主要实现系统实时在线综合管理、性能检测、安全保护及监控功能；三轴飞行仿真转台具有三种控制模式：仿真模...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋静婧，祝明，章磊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]