飛行模擬機仿真地平儀的設計

肖志堅

(中國民航飛行學院 模擬中心，廣漢618307)

0 引 言

空客A320 飛行模擬機是在地面進行空中飛行駕駛和訓練的必不可少的設備，它是對真飛機駕駛艙一比一的仿真，而地平儀是飛行員在空中判斷飛機飛行姿態不可缺少的儀表［1－2］，目前大多數飛行模擬機上使用的地平儀都是采用真飛機儀表，不僅價格昂貴，也不利于維修［3－6］。為此，設計一種模擬機上使用的仿真地平儀有著重要的意義。系統采用數字信號處理器和高性能微型步進電動機來實現當飛機俯仰和傾斜時地平儀的姿態控制，并利用閉環控制和電機升降頻技術來實現高精度的姿態顯示。

1 設計方案

1.1 步進電動機閉環控制

當飛機飛行姿態改變時，地平儀會隨著飛行姿態變化自動調整其位置顯示，因此，它需要響應速度快、精度高的電機來實現該功能。經分析，VID29 －05 高性能微型步進電動機不僅能將電脈沖輸入信號轉換成角位移或線位移加以輸出，且能驅動離散型的自動執行元件，并具有較高的定位精度，能夠滿足仿真需要。因此，本文采用高性能微型步進電動機作為驅動部件。

因仿真地平儀需要實現高精度的位置控制，系統采用步進電動機閉環控制。閉環系統框圖如圖1所示，地平儀采用光電編碼器作為位置檢測元件，該閉環控制系統由步進電動機、驅動器和光電編碼器構成。光電編碼器與步進電動機主軸直接相連來檢測位置，當步進電動機每運動一步，光電編碼器就能給出一個或多個脈沖，通過脈沖負反饋來響應電動機的位移。

圖1 地平儀步進電動機閉環系統框圖

1.2 步進電動機升降頻控制

步進電動機升降頻控制的核心是實現電機快速、準確的定位，通常來講就是在電機不發生失步、過沖和震動等現象的情況下，以最快的速度運行到指定的位置［7］。

飛行模擬機地平儀要求在飛機飛行姿態改變時，地平儀指示器應迅速與飛行姿態保持一致，因此要求步進電動機在最短時間內精確到達指定位置。考慮到步進電動機起動時，其靜態慣量比較大，應以較小的加速度升頻;而當步進電動機停止時，其輸出轉矩已大幅減小，此時也需要較小加速度，否則就容易發生過沖。

綜上考慮，為了確保步進電動機在加速曲線的起始和結束階段保持低速運行，保證電機的準確起停，因此決定采用分段升降頻方案，如圖2 所示，即在開始(t0～t1)和結束(t2之后)階段采用拋物線升降頻方案，在中間階段(t1～t2)采用直線升降頻方案。

圖2 步進電動機升降頻示意圖

開始階段升頻方程:

中間階段直線升降頻方程:

結束階段降頻方程為:

式中:f 為運行頻率，f0為初始頻率，t0為初始時間，b是拋物線升頻加速度，a 為直線升頻加速度，c 為常數，f2為拋物線降頻突變頻率。

2 仿真地平儀硬件設計

由于地平儀具有俯仰角、傾斜角、側滑角和故障指示等多項功能，因此，仿真地平儀的核心控制元件采用能完成復雜控制的dsPIC30F4011 數字信號處理器。

仿真地平儀工作原理框圖如圖3 所示。飛行控制主計算機與數字信號處理器之間的通信采用RS－232 串行通訊方式。當地平儀上電后，數字信號處理器進行自檢，完成后，步進電動機回到零點位。當飛機飛行姿態變化時，飛行控制主計算機發出的實時數據傳輸到dsPIC30F4022 處理器，控制器根據該數據信號控制步進電動機轉動，步進電動機驅動減速器，再帶動俯仰或傾斜指針轉動，實現高精度的位置控制，達到俯仰角和傾斜角的精確指示。側滑角是信號通過模數轉換，再經過放大器，來驅動側滑角指針，實現該功能。當接收到主計算機的故障信號時，數字信號處理器驅動直流電機，在儀表盤中顯示彈出故障旗，當故障消失后，數字信號處理器再驅動電機將故障旗收回。

圖3 仿真地平儀工作原理框圖

3 軟件設計

飛行模擬機仿真地平儀軟件設計，主要是針對dsPIC30F4011 數字信號處理器的軟件設計和開發。固件代碼基于Microchip 公司的MPLAB IDE V8．80集成開發環境，利用C 語言編寫程序，使用C32 編譯器編譯，并采用模塊化的設計思想設計軟件。仿真地平儀控制軟件流程圖如圖4 所示，軟件設計主要包括五大模塊:主程序模塊、俯仰角控制程序模塊、傾斜角控制程序模塊、側滑角控制程序模塊和故障旗控制程序模塊。

圖4 仿真地平儀控制軟件流程圖

當仿真地平儀上電工作時，先進行系統自檢，并對系統各變量、寄存器初始化，各指針回零，判斷狀態標志位是否等于1，如果為1，對姿態的變化進行判斷，運行俯仰角或傾斜角控制程序模塊，如果不為1，再對側滑角或故障旗進行判斷，運行側滑角或故障旗控制程序，整個程序運行時通過中斷函數來實現子程序的跳轉、接收和發送命令。

4 測試結果

將仿真地平儀安裝到空客A320 全動飛行模擬機上進行了長期的飛行訓練，并通過3 000 多小時的模擬機飛行測試。測試結果表明，該仿真地平儀完全滿足飛行模擬機使用的設計要求，成功替換現有模擬機用真飛機地平儀，且具有以下特點:①采用dsPIC30F4011 數字信號處理器，處理速度快，地平儀的響應速度同樣也快;②相對于價格高昂的進口地平儀，仿真地平儀結構簡單、成本低廉;③高性能微型步進電動機的閉環控制和分段升降頻的設計方案，使得仿真地平儀精度更高;④長期運行測試證明可靠性高，故障率低。

5 結 語

針對目前空客A320 飛行模擬機上使用的真飛機地平儀存在價格昂貴、不易維修等特點，設計了一種仿真地平儀。dsPIC30F4011 數字信號處理器與高性能步進電動機閉環控制相結合的分段升降頻設計方案使得該仿真地平儀響應速度快、故障率低。對該地平儀硬件設計、軟件設計做了全面介紹，且試驗效果符合預期。仿真地平儀價格低廉、響應速度快、可靠性高，填補了國內仿真地平儀研制的空白。它不僅可替代國外模擬機用真飛機地平儀，也可以用在國內生產的模擬機上，具有較好的應用前景。

［1］ 王行仁．飛行實時仿真系統及技術［M］．北京:北京航空航天大學出版社，1998:8－20．

［2］ 陳又軍．現代飛行模擬機技術發展概述［J］．中國民航飛行學院學報，2011，22(2):25－27．

［3］ 劉丹．飛行模擬器航空地平儀控制系統的研究與設計［D］．青島大學，2005，1－8．

［4］ 徐強，顧宏斌，高振興．飛行模擬器座艙儀表通信技術研究［J］．信息技術，2012(1):1－3．

［5］ 劉國慶，李哲煜．某型飛機模擬訓練器虛擬儀表系統的研究［J］．微計算機信息，2010，26(6－1):110－111．

［6］ 劉紅．飛行模擬器中儀表仿真系統改裝方案設計［J］．重慶工學院學報(自然科學版)，2007，21(4):76－78．

［7］ 劉穎，王志剛，王紅，等．步進電機升降頻的優化算法［J］．微電機，2009，43(8):93－94．