基于xPC的飛行仿真平臺設計

王振華

摘 要：設計了基于xPC目標的實時飛行仿真平臺。該平臺采用xPC建立實時仿真環境，通過反射內存卡組成實時仿真網絡。通過RTW的自動代碼生成功能，將飛行仿真模型生成實時代碼加載到xPC目標機，實時運行飛行仿真模型。通過連接駕駛艙操縱設備、顯示系統及視景系統，實現了逼真的飛行仿真環境。試驗結果表明，該平臺實時性強，通訊穩定，數據傳輸率和準確率較高，可視化效果好，具有較高的仿真置信度和可靠度。

關鍵詞：xPC目標；反射內存卡；飛控系統；飛行仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.171230

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0084-03

0 引言

民用飛機電傳飛控系統研制過程中，為了對總體架構、功能、邏輯、接口、控制律等關鍵技術進行研究，需要建立分析、計算、仿真及試驗平臺，為系統設計與測試人員提供仿真測試環境。然而，建立真實系統仿真模型十分困難，純數字仿真又忽略了很多因素，如模型本身的結構和參數變化、信號的量測噪聲、外部擾動等。因此，純數字仿真得出的結果用于實際系統并不理想，這就需要對系統進行半實物仿真[1-2]。

半實物仿真又稱硬件在環仿真（Hardware in the Loop，HIL），它把數學模型、實體模型和系統設備聯系在一起運行，組成仿真系統。實時性是進行半實物仿真的必要前提。從系統觀點來看，因有實物介入仿真回路，從而使部件能在滿足系統整體性能指標的環境中得到檢驗，是提高系統設計可靠性和質量的必要手段[3-4]。

飛控系統仿真測試對實時性要求較高，可以基于專用仿真機完成，如AD100、RTS620。這些仿真機相對于非專用仿真系統，具有實時性好、可直接用于半物理仿真、擴展性好等優點，缺點是價格非常昂貴，且開發維護非常困難[1，2]。

隨著計算機軟硬件技術的迅速發展，開發廉價、高精度的實時仿真平臺成為可能。本文設計了一種基于Matlab的xPC Target工具箱設計的實時飛行仿真平臺，用于民用飛機飛控系統功能驗證等試驗。

1 xPC目標

xPC Target是Mathworks公司開發的基于Real-Time Workshop （RTW）體系框架的附加產品，可將X86計算機或PC兼容機轉變為一個實時系統，且支持許多類型的I/O設備板。

xPC Target 是一種高性能的主機-目標機原型環境，即“雙機模式”。主機和目標機可以是不同類型的計算機。利用xPC Target可以在主機上設計模型，并用Real-Time Workshop和Stateflow Coder自動生成代碼，最后下載到運行xPC Target實時內核的目標機上。用戶可以使用32位或64位x86架構的電腦作為實時目標系統，軟件運行在32位模式下。 xPC Target通過以太網連接或串口線連接，實現主機與目標機之間的通信。另外，使用獨立提供的 xPC Target Embedded Option，用戶可以在獨立目標機上開發實時嵌入式系統，用于生產、控制、信號處理、數據獲取、標定和測試等場合[5]。

2 仿真平臺總體設計

飛行仿真平臺包括駕駛艙操縱設備、綜合控制臺、儀表顯示系統、視景系統、硬件接口系統、上位機、仿真目標機等，如圖1所示。在上位機上完成飛行仿真模型的搭建（模型在Matlab /Simulink環境下搭建），所搭建的模型包括飛機本體模型、飛控系統模型、環境模型等飛行仿真所需模型。此外，還需要在上位機上進行飛行參數設置、飛行路徑規劃等操作，在完成模型的參數設置后，通過RTW 將模型及參數一起下載到xPC仿真目標機，進行實時仿真。

側桿、腳蹬（飛行模式控制板）等操縱機構通過信號調理板，統一連接到接口計算機的數字信號采集卡或模擬信號采集卡，這些操縱機構通過接口計算機和反射內存網，向xPC目標機提供各種飛行操縱信號和狀態信號，xPC目標機也可通過接口計算機和反射內存網向自動著陸燈、側桿權限指示燈和FMCP發送控制信號，控制其狀態。xPC目標機上運行飛機實時仿真模型，實時接收來自操縱機構的信號，完成人在回路的飛行模擬仿真。

3 硬件設計

飛行仿真平臺包含實時仿真部分和顯示控制部分。飛行仿真平臺原理如圖2所示。

圖2中右下部是實時仿真部分，左上部是顯示控制部分。實時仿真部分通過反射內存網和信號調理板互聯[6]；顯示控制部分通過千兆以太網和儀表仿真計算機互聯；xPC目標同時連接反射內存網和千兆以太網，是仿真平臺兩個部分的橋梁，也是整個仿真平臺的核心。

實時仿真部分組成及功能描述見表1。

xPC目標機作為實時仿真機，是整個仿真平臺的核心，和其它系統接口關系較為復雜，各種連接關系如下：①通過反射內存網接收來自計算機的操縱信號；②通過反射內存網向接口計算機發送指示燈等控制信號；③通過以太網向綜合控制臺發送飛機狀態數據，顯示相關信息；④通過以太網接收來自綜合控制臺信息，驅動信息顯示；⑤通過UDP向儀表控制計算機發送儀表驅動數據；⑥通過UDP通信接收來自頂部觸摸屏的控制信號；⑦通過UDP向視景計算機發送視景驅動數據。

硬件接口系統采用1 臺工控機采集側桿、腳蹬等信號，接口計算機上配置數字信號采集卡、模擬信號采集卡和VMIC反射內存卡。接口計算機上實時運行接口系統軟件，負責實時采集側桿、腳蹬等信號，并通過反射內存交換網輸出到仿真模型目標機上。

4 實時仿真模型

在進行實時仿真之前，需要在Matlab/Simulink環境下開發各個系統的仿真模型，如飛機本體模型、發動機模型、起落架模型、舵機模型、傳感器模型、飛行員模型、控制器模型等。各種系統模型和一些輔助功能模塊集成后形成數字仿真模型。在數字仿真模型的基礎上，將頂層輸入飛行員模塊和輸出顯示模塊替換為含硬件IO板卡驅動的模塊，即可得到實時仿真模型。

仿真模型的層次和連接關系盡量與物理系統保持一致。

仿真模型頂層結構如圖3所示。頂層模型包括9個模塊：①飛機系統模塊：飛機系統模塊是頂層模型的核心，包含飛機本體模型和飛控系統模型；②環境模塊：環境模塊包括大氣模型、風模型、重力模型、機場模型等，為飛機系統模塊提供環境相關信息；③故障設置模塊：它接收來自控制臺的故障數據，為飛機系統模塊提供系統故障信息；④視景通信模塊：負責驅動視景系統；⑤控制臺通信模塊：負責向控制臺發送飛行仿真數據；⑥示波器和數據存儲模塊：示波器模塊記錄主要的仿真數據；⑦模型信息顯示模塊：顯示版本、日期相關信息；⑧準實時仿真模塊：可在Windows環境下，使模型近似實時運行；⑨初始化腳本模塊：完成模型初始化功能，在此可更改初始仿真條件。

實時仿真模型通過xPC Target自動代碼生成功能，生成實時代碼并編譯鏈接后下載到xPC目標機上運行，實現實時仿真。

實時仿真軟件運行模式為Standalone模式，開機后自動運行，并處于待機狀態，等待接收來自試驗總控臺的仿真控制指令。

實時仿真軟件在內存中記錄仿真數據，仿真結束后，由程序調試計算機通過以太網接收仿真記錄數據，存盤并進行繪圖分析。

5 仿真實驗

通過建立的飛行仿真平臺，對某型飛機飛行控制系統進行了飛行品質評估實驗。以左升降舵卡阻實驗為例，空中左升降舵突然卡阻，飛行員需按操作程序操縱飛機，維持飛機平穩飛行。圖4是飛行員操縱及飛機響應曲線。

試驗中，左升降舵突然卡阻在-2°，飛機迎角、俯仰角增大，飛行員通過操縱側桿，將迎角、俯仰角恢復到平穩飛行狀態。仿真實驗結果表明，該平臺實時性強，通訊穩定，數據傳輸率和準確率較高，可視化效果好，具有較高的仿真置信度和可靠度。

6 結語

本文構建了一種基于xPC的飛行仿真平臺。該平臺以側桿、腳蹬等作為操縱輸入，采用xPC建立實時仿真環境，通過反射內存卡組成實時仿真網絡。通過構建駕駛艙仿真設備、視景顯示系統及飛行仿真模型，實現了側桿操縱邏輯及飛控系統性能評估的實時、直觀仿真環境。仿真實驗表明，該平臺具有較高的仿真置信度和可靠度。

參考文獻：

[1] 王先澤，劉志勤，陳懷民，等.基于xPC目標的飛控系統半實物實時仿真[J].科學技術與工程，2007，7（21）：5609-5613.

[2] 吳佳楠.實時仿真設備驅動程序開發技術研究[J].計算機仿真，2005，22（4）：32-35.

[3] 單家元.半實物仿真[M].北京：國防工業出版社，2008.

[4] 王曉東，董新民，姚崇.基于xPC的飛行控制系統半實物仿真設計[J].傳感器與微系統，2011，30（2）：122-124.

[5] 楊滌.系統實時仿真開發環境與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.

[6] 揚飛鴻，王旭永，陶建峰，等.基于xPC和反射內存網的半實物仿真[J].上海交通大學學報，2010，44（7）：892-896.