綜合航空電子與控制虛擬仿真實驗教學系統設計與開發

涂繼亮，陶秋香，劉 輝

（南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063）

綜合模塊化航空電子與控制系統是由導航、控制與機載電子設備組成的復雜系統，是各國爭相發展的高科技領域，也是關系國防安全的關鍵領域[1-2]。航空電子信息類相關專業為培養該領域人才，迫切需要充分利用信息化技術，建立先進的、面向多學科專業的虛擬仿真實驗教學系統，幫助學生更好地理解綜合模塊化航空電子與控制系統中的關鍵技術問題，從而為飛機的制造、安裝與調試工作打下良好的基礎[3-7]。南昌航空大學建立了一套虛實結合、形象直觀、反映工程實際的航空電子與控制虛擬仿真實驗教學系統[8-9]。該系統旨在服務本校電子信息工程、電子信息科學與技術、自動化、電氣自動化專業以及近航空電子與控制類專業高年級學生及導航制導方向的研究生課程教學，包括基礎實驗教學、綜合性實驗教學和創新性實踐教學，并且實驗教學內容、教學模式和機制的不斷更新、發展和優化，在青年教師培養，航空企事業單位、軍地融合人才培養中發揮了重要的作用。

1 實驗教學系統建設環境

本文設計實現的虛擬仿真實驗教學系統依托南昌航空大學綜合航電系統數字實驗平臺，該平臺主要面向全校5個學院近控制類專業及課程的高年級本科生及導航制導方向研究生進行飛行控制理論的實驗教學，實驗內容強調以航空工業為背景，產學研結合，突出學生創新型工程能力的訓練和培養。本數字實驗平臺于2015年投入約400多萬元資金建設完成，主要設備包括：連接各實驗室的100兆交換式Ethernet（與校園網相連）、16口千兆以太網交換機、SGI Onyx2工作站、HP服務器、VR人機交互設備、高檔微機、集群、圖像數據采集設備（高分辨率掃描儀、數字攝像機）、高分辨率投影儀、小型三自由度轉臺、移動靶標、飛行模擬座艙、舵面可驅動飛機模型等。該數字實驗平臺室內場景如圖1所示。

圖1 綜合航電系統數字實驗平臺室內環境

2 實驗教學系統的建設目標

通過虛擬仿真實驗，應實現以下教學目標：

（1）利用實驗室全數字綜合航電系統先進便捷的原型實現途徑和虛擬仿真技術，讓學生掌握航電系統及其控制系統（包含系統結構設計、動力學仿真、傳感檢測元件、飛行控制系統等）的教學內容，幫助學生從原理到實現的全過程完成認知實踐；

（2）模擬飛機操控，通過虛擬仿真形式獲取各導航衛星的信息，并利用虛擬儀表進行跟蹤處理，幫助學生掌握和學習多傳感器組合定位與導航系統中所采用的設備與系統的特點、結構和工作流程，完成整個飛機駕駛的實際場景仿真；

（3）按照虛擬教學系統提供的虛擬環境，允許通過遠程網絡設計飛機起降制導律和控制律，完成設置飛行數據以及操作起飛、巡航、攻擊及返航等一系列飛行控制實踐，利用三維虛擬仿真的形式給出飛行器的運動軌跡生成與獲取的過程。

3 虛擬實驗教學系統模塊設計

本虛擬實驗教學系統以航空機載系統為背景，把飛行器設計、飛行導航控制、電子工程和計算機等專業內容以虛擬實驗的形式加以提煉，開發出系列的基于虛擬現實與增強現實的虛擬仿真實踐資源。將相關專業的實驗資源進行整合和優化，形成與之相對應的航空電子與控制虛擬仿真實驗教學體系，設計若干虛擬仿真開發項目，以立項的形式，促進虛擬仿真學生俱樂部和開發小組的組建。

綜合航空電子與控制系統虛擬仿真實驗教學系統項目建設包括4個模塊。

（1）飛行器導航與測試虛擬仿真實驗模塊。該模塊主要服務于“定位與導航系統”“現代導航測試技術”“最優濾波與組合導航”“全球導航衛星系統”及“測試信號分析與處理”等專業課程[10]，主要內容包括航空電子與控制系統的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式，飛行器信息感知、信息傳輸、飛行任務控制、執行機構，以及實驗對象的構思、分析和計算，通過三維虛擬仿真實現慣性導航系統與衛星導航系統，為后續慣性/衛星深組合仿真奠定基礎。

（2）飛行器信息傳輸與處理虛擬仿真實驗模塊。該模塊主要服務于“網絡通信實現技術”“航空總線技術”“并行與分布式計算”和“嵌入式測控系統”等專業課程，以虛擬仿真的形式生成各類機載總線數據，通過測試軟件和硬件對所設計的航空總線架構、傳輸協議、誤碼率及時延等進行分析。

（3）飛行器控制系統虛擬仿真實驗模塊。該模塊主要服務于“光通信”“飛行控制系統”“直升機/無人機飛行控制”和“飛行綜合控制”等專業課程，通過三維虛擬仿真環境，對電/光傳飛控實現過程中的關鍵技術，如光作動器、光傳感器、光總線等進行設計與開發實驗。

（4）飛行器電氣系統虛擬仿真實驗模塊。航空電源系統包括發電、電能變換、配電、負載等多個單元及部件，部件本身特性及部件之間的相互影響均較為復雜。該模塊以飛機電源實物系統為測控對象，通過虛擬儀器軟件或示波器進行飛機電源結構、電子線路、電壓檢測與控制的設計與分析。

在虛擬仿真實驗教學模塊建設的基礎上，按照綜合航空電子與控制系統閉環仿真架構，將各實驗模塊關聯起來，針對無人機、直升機、大型客機等飛行器構建綜合性虛擬仿真實驗平臺。結合虛擬仿真實踐資源，促進虛擬仿真學生俱樂部和開發小組的組建。

4 實驗教學系統實現路徑

4.1 飛行器導航與測試虛擬仿真實驗模塊

飛行器導航與測試主要是測得飛機的航姿信息和大氣數據信息，為飛行控制系統提供實際數據，并與飛行指令比較后生成指令誤差，送到飛行控制計算機進行控制律計算[11]。在虛擬實驗室構建過程中，可采用2種虛擬仿真實驗實現方式：一種是采用VRML技術結合ActiveX控件實現的三維虛擬仿真實驗；另一種是基于Flash的二維虛擬仿真實驗。

該虛擬仿真實驗教學系統包括參數設置與傳感器數據讀入接口、導航設備仿真、信息存儲與處理、硬件綜合控制與通信、導航計算機以及信息顯示處理等模塊，其體系結構如圖2所示。圖3為慣性導航和衛星導航系統交聯圖。

圖2 飛行器導航與測試虛擬仿真實驗模塊體系結構

圖3 慣性導航和衛星導航系統交聯圖

本模塊可為本校電子信息工程、通信工程、電子信息科學與技術、自動化、測控與儀器、飛行器設計等專業的本科生、研究生開設以下慣性導航與衛星導航虛擬仿真實驗項目：

（1）飛行器高精度航跡仿真實驗（認知型）：通過三維虛擬仿真的形式給出飛行器的運動軌跡生成與獲取的過程；

（2）加速度及陀螺數據仿真實驗（基本型）：獲取加速度計及陀螺數據，進行誤差仿真分析；

（3）多星座衛星信息的捕獲跟蹤仿真實驗（設計綜合型）：通過虛擬仿真形式獲取各導航衛星的信息，并進行跟蹤處理；

（4）慣性/衛星深組合仿真實驗（創新研究型）：分析慣性和衛星虛擬仿真實驗結果，并開展深度融合算法研究；

（5）飛機空速仿真實驗（基本型）：以虛擬仿真形式給出飛機空速傳感器的工作原理，并設計提高測量精度的措施；

（6）傳感器沖擊響應仿真實驗（基本型）：以虛擬仿真形式分析在振動沖擊情況下氣壓、空速傳感器精度變化。

4.2 飛行器信息傳輸與處理虛擬仿真實驗模塊

飛行器信息傳輸與處理，是指將測得傳感器信息和指令信息通過數據鏈傳輸到計算裝置并進行數據的預處理。

該實驗模塊以民用飛機上的 ARINC-429、AmNC-629 和CSDB機載數據總線，應用于軍用飛機上的MIL-S1D-1553B、STANAG3838 /3910機載數據總線[12]，線性令牌傳遞總線 LTPB，光纖分布式數據接口FDDI和航空電子統一網絡中可變規模互連接口SCI，光纖通道FC，以及目前最新全雙工交換式以太網AFDX為實驗對象，通過虛擬仿真實驗，讓學生了解不同航空總線的工作原理，并能熟練分析各類航空總線的架構設計、技術特點、協議規范、拓撲結構、通信接口設計方法。該實驗模塊可完成以下虛擬仿真實驗教學項目：

（1）1553B總線仿真實驗（基本型）：以虛擬仿真形式生成1553B總線數據的架構設計、傳輸協議分析、誤碼率分析；

（2）FC總線仿真實驗（基本型）：以虛擬仿真形式進行 FC總線的架構設計、傳輸協議分析、誤碼率分析；

（3）AFDX總線仿真實驗（基本型）：以虛擬仿真形式進行AFDX總線數據分析；

（4）航空網絡綜合仿真實驗（設計綜合型）：以虛擬仿真形式生成先進航空網絡（如LTPB、FDDI和SCI總線）總線數據，對其進行分析。

4.3 飛行器控制系統虛擬仿真實驗模塊

飛行器（含發動機）控制主要通過獲取的傳感器信息和指令信息進行控制指令計算，并由執行機構執行。該實驗教學模塊不僅結合當前實際研究進展，還面向未來飛行器控制領域發展趨勢，通過光電信息傳輸、光傳控制作動器、超高速光傳信息傳輸等虛實結合實驗，培養學生的創新意識和創新能力，同時為教師提供科研實驗平臺。

利用虛擬現實技術和真實氣動力學模型，可創建逼真的飛航環境與操作環境來進行飛航模擬，極大增強模擬訓練的真實感，能夠對模擬座艙中的駕駛桿、油門桿以及實驗平臺的轉動、伺服機構的伸縮進行模擬，提供不同飛航情況下駕駛、機組人員及乘客的模擬訓練。學員可以根據需要修改參數，通過對故障設備局部放大及故障過程進行慢速度回放的方式，幫助駕駛員從多角度觀察設備運行情況或故障發生過程；在動態重構的三維場景中，通過動畫實時顯示飛機模型在飛行程序的控制下如何實現制導飛行和姿態控制，駕駛艙虛擬儀表能夠顯示飛行器的實時姿態和位置。

該實驗教學模塊融合飛行中所遇到的各種元素，對于氣象及地理環境、飛行控制率、空氣動力、穩定增強系統、自動駕駛儀和其他飛行器裝備（例如航電、電氣）、地面飛行引導等，都能夠在虛擬實驗教學模塊中以獨立的控制組件進行建模，從而全面考驗飛行控制程序的適應能力，在一定的程度上能夠避免人工判讀飛參數據效率低及漏判、誤判問題。圖4為飛行控制虛擬仿真演示系統結構。

圖4 飛行控制虛擬仿真演示系統結構

4.4 飛行器電氣系統虛擬仿真實驗模塊

當代新型飛行器朝著多電、全電飛機方向快速發展，有必要通過建模、仿真以及搭建虛擬實驗教學對飛行器電氣系統進行研究。飛行器電氣系統主要包括提供能量的發電系統、航空電機及其熱管理系統等。該虛擬仿真實驗模塊利用現有航空電源系統仿真支撐平臺，結合多電飛機發展方向，構建航空寬變頻交流電源系統、航空高壓直流電源系統虛擬仿真實驗教學模塊。限于篇幅，下面給出的是雙發電通道飛機電源系統虛擬仿真實驗流程，如圖5所示。

圖5 雙發電通道飛機電源系統虛擬仿真實驗流程

該模塊能夠以虛擬仿真的形式進行飛機低壓直流電源結構、電子線路、電壓檢測與控制設計與分析，生成雙發電通道電源輸入和輸出信號，通過虛擬儀器進行電子線路、電壓檢測與控制的設計與分析。

5 實驗教學手段和方法

在綜合航空電子與控制虛擬仿真實驗教學中，靈活采用線上線下相結合、案例教學、情景體驗式教學、小組討論等教學方法。

（1）線上線下相結合教學法。由于GPS衛星導航及SY-80A型火控雷達設備配置數量有限，或GPS衛星導航的一些重要功能（如航線監測、故障報警）無法實現，需采用線上線下相結合的方式進行實驗教學，對重要的真機設備采用虛擬現實技術，直接、快速、精煉地讓學生進行認知實踐，同時允許學生對重要的設備進行網絡查找資料及教學資源等，使學生具有堅實的理論基礎。

（2）案例教學法。在教師的指導下，由學生在全數字航電系統環境下自主選定飛行控制系統典型案例，自行完成案例學習，在學習過程中提出問題、展開討論、歸納總結、做出判斷和評價。這種實驗教學方法拓寬了學生思維空間，可起到印證原理、加深理解、鞏固知識的作用，充分發揮本實驗項目的啟發性、實踐性。這種范式特別適合培養學生的應用能力。

（3）情景體驗式教學法。實驗項目模擬了 20種不同的飛行環境。學生在飛航模擬中可真實體驗飛行環境和操作環境，并且不受實體座艙數量限制，提供駕駛、機組人員及乘客等針對不同的飛航情況進行模擬訓練，并且強化訓練人員的操作水平。

（4）小組討論法。在本實驗項目教學中多處采用小組討論法。討論主題可由教師指定，例如飛行器通信協議、航電系統架構及組成、航電系統安全性分析、網絡通信與控制一體化、飛行器協同自主控制；也可以由各小組學生自由進行，學生根據實驗項目涉及的知識點，自主決定實驗時長、次數。這種小組成員之間相互依賴、相互溝通、相互合作、共同負責，強調集體性任務，強調教師放權給學生，非常符合飛行器導航及控制實踐中的真實情況。

（5）產學研協同教學法。通過校企合作，持續拓展虛擬仿真實驗教學項目，提升航空電子與控制虛擬實驗教學平臺內涵，完善虛實結合的在線虛擬仿真實驗教學資源庫，促進教學資源的深入建設。以此為基礎，我校成立了校企聯合虛擬仿真實驗室，構建系統先進、綜合性強的航空電子與控制虛擬仿真實驗教學體系，引導學生將虛擬仿真技術應用于實驗實踐和科技競賽中，促進VR技術在實踐教學中的普及，固化產學研協同育人的合作成果。

6 結語

本文設計開發的虛擬仿真實驗教學系統以服務航空電子系統發展需求為導向，以培養學生工程實踐和創新能力為目的。通過場景虛擬、設備虛擬等技術手段，為學生展現與航電系統及飛行控制實際相一致的操作流程，幫助學生操作包括機上電源、多功能顯示器、慣性導航系統、大氣機、任務機、武器外掛管理系統等與雷達相關的綜合航電系統主要設備的工作情況及使用技能，達到指導訓練和操作的目的，搭建起學校和用人單位間的技術橋梁。通過緊密結合航空國防特色科研，將有更多的優質科研資源轉化為課程教學虛擬仿真實驗項目。