(一)技术领域
[0001] 本
发明涉及
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技术领域。(二)背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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)发明内容
[0005] 1、目的：本发明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。
[0006] 2、技术方案：见图1，本发明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。
[0007] 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
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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++3.1，程序流程见图7。三轴飞行仿真转台控制下位机3是转台控制系统的直接控制级，构成转台内、中、外三个框的伺服控制系统，接收三轴飞行仿真转台控制下位机2发出的指令，实现对三轴转台进行实时控制。配置有仿真通讯卡及符合规定的通讯协议的接口软件模
块，仿真周期时间可设置，最小仿真周期为1ms。仿真通讯卡选用美国通用电气公司生产的型号为VMIPCI-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，经过实际仿真测试性能可靠稳定。
[0012] 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，可用于构建星形反射内存光纤网络，网络传输延迟小于700ns。
[0013] 该CPCI仿真机5采用德国RITTAL公司的DK-PS型
服务器机柜，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，同时为适应低成本、开放式和标准化发展趋势来构成高性能、高可靠的计算机仿真系统。C
PCI总线是一种基于标准PCI总线的小巧而坚固的总线技术，在电气、逻辑和软件方面，与PCI标准完全兼容。CPCI仿真机5采用VxWorks V5.5实时操作系统，具有良好的可靠性、卓越的实时性、高性能的
内核以及友好的用户开发环境。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。
[0014] 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用户开发环境，应用神州普惠科技有限公司提供的AppSim仿真软件，生成可执行代码通过以太网从仿真控制开发主机6下载到CPCI仿真机5中；同时，仿真数据也可通过以太网传回仿真控制开发主机6，在仿真控制开发主机6上可对仿真过程进行实时监控。
[0015] 本发明的原理是：
[0016] 本发明的仿真系统的软件结构如图5所示。仿真控制开发主机6是仿真系统几乎所有开发工作赖以完成的主要功能平台，它采用Windows操作系统，应用Matlab 6.5/Simulink/Real Time WorkShop数学建模工具和将模型转换成目标实时代码的工具，以及VxWorks V5.5实时操作系统的集成开发环境Tornado2.2，并通过AppSim仿真软件提供的开发测试工具平台，实现仿真代码的下载、仿真参数调整和监控等仿真功能。
[0017] 本发明的基本操作流程是：首先在仿真控制开发主机6上，应用Matlab的Simulink模块建立仿真模型，通过RTW实时
工作空间提供的外部模式功能，直接由Simulink的模型生成支持VxWorks V5.5实时操作系统的目标代码；运行AppSim仿真软件，建立与CPCI仿真机5的网络连接，选择建模完成的仿真模型，下载并运行在CPCI仿真机5中的VxWorks V5.5实时操作系统下，实现通过CPCI仿真机5的反射内存卡接口向三轴飞行仿真转台系统发送实时的飞行姿态数据，从而完成不同目标的仿真试验。
[0018] 3、特点：
[0019] (1)使用Matlab/Simulink建立仿真模型，由RTW实时工作空间直接从Simulink仿真模型中生成针对应用优化的、可移植的代码，并根据目标配置自动生成目标环境下的程序。通过这种方式可
加速仿真过程，同时也可生成可在不同的快速
原型化实时环境目标下运行的程序，大大缩短了开发周期，并能从代码
质量的环节对半实物仿真实时性提供了很好的支持。
[0020] (2)仿真机硬件采用CPCI总线型式，软件采用VxWorks V5.5嵌入式实时操作系统。软件和硬件均可实现方便扩展与裁剪。
[0021] (3)使用光纤交换机，可方便组建反射内存光纤网络，具有高实时性并且可扩展能力强。
[0022] (4)仿真通过光纤网络与转台系统的通信采用中断响应机制，实现
采样周期为1ms，提高了整个系统的跟踪速度、实时性及可靠性。CPCI仿真机5与数据发送相关的软件流程见图6，与之配合响应中断的三轴飞行仿真转台控制下位机3的软件
流程图见图7。三轴飞行仿真转台控制下位机3的中断响应流程见图8。
[0023] (5)AppSim仿真软件的使用。AppSim仿真软件是基于MATLAB/Simulink的控制系统在实时环境下的开发及测试工具平台。借助MATHWORKS公司产品(MATLAB/Simulink/Real Time WorkShop)数学建模工具和将模型转换成目标实时代码工具，用户可将设计好的数学模型转换成基于VxWorks V5.5实时操作系统的嵌入式目标仿真代码，通过AppSim仿真软件可实现实时仿真、快速原型与硬件回路测试全套解决方案，同时将Simulink外部模式的运行与实时目标无缝集成在了一起，提供了很好的信号监视、参数实时调整功能及数据保存功能。
[0024] 上述5个特点综合形成了该飞行仿真系统的高实时性和可扩展性的重要优势，弥补了现有飞行仿真系统不易扩展，尤其是实时性不够高的
缺陷，可以适用于更多一般及复杂飞行器对象的仿真试验需求，并且容易实现多种仿真功能的扩展，具有更高的实际应用价值。(四)
附图说明
[0025] 图1为本发明的飞行仿真系统配置示意图；
[0026] 图2为本发明的飞行仿真系统光纤网络交联示意图；
[0027] 图3为本发明的Matlab/Simulink仿真模型示意图；
[0028] 图4为本发明的AppSim软件界面示意图；
[0029] 图5为本发明的飞行仿真
系统软件结构示意图；
[0030] 图6为本发明的CPCI仿真机5软件流程示意图；
[0031] 图7为本发明的三轴飞行仿真转台控制下位机3软件流程示意图；
[0032] 图8为本发明的三轴飞行仿真转台控制下位机3软件中断响应流程示意图。
[0033] 图中符号说明如下：
[0034] 1三轴飞行仿真转台台体；2三轴飞行仿真转台控制上位机；3三轴飞行仿真转台控制下位机；4光纤交换机；5CPCI仿真机；6仿真控制开发主机；
[0035] 图1中的英文符号说明如下：
[0036] CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect)一种总线标准；
[0037] 图2中的英文符号说明如下：
[0038] VMIPMC-5565、VMIACC-5595、VMIPCI-5565均为设备型号；
[0039] 图3中的英文符号说明如下：
[0040] S-Function Simulink模块中的一种计算机语言；
[0041] Subsystem1、Subsystem2子系统模块1和子系统模块2；
[0042] 图4中的英文符号说明如下：
[0043] Model selection模型选择——Select model选择模型；Connect建立连接；
[0044] Utilities用户配置——Configuration配置地址；Parameters调节参数；
[0045] Model preparation模型准备——Open/Compile打开/编译；Store/Display设置监视和保存变量；Load下载；Display图形显示；
[0046] Model execution仿真运行——Execute启动；Stop停止；Reset重新启动；Help帮助；
[0047] Data Process
数据处理——Get data获取数据；Transfer数据转换；Draw line绘图；
[0048] Note操作日志——status状态；date日期；time时间；description描述；
[0049] Exit退出；
[0050] 图5中的英文符号说明如下：
[0051] Windows、VxWorks操作系统；Matlab 6.5、Tornado 2.2、AppSim开发软件；TCP/IP网络通讯协议；I/O输入和输出；Target Server目标机(五)具体实施方式
[0052] 以下结合附图对本发明作进一步描述。本发明的具体实现方式：
[0053] 第一步进行系统硬件环境的构建。
[0054] 首先根据系统组成构建如图1仿真系统的硬件环境。其中三轴飞行仿真转台系统为成熟产品，本发明采用北航自动化学院研制的转台系统，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、三轴飞行仿真转台控制下位机3；光纤交换机4采用美国通用电气公司生产的型号为VMIACC-5595光纤交换机；外部控制计算机系统的CPCI仿真机5和仿真控制开发主机6均为货架产品，其中CPCI仿真机5中的反射内存卡选用美国通用电气公司生产的型号为VMIPMC-5565反射内存卡。
[0055] 三轴飞行仿真转台系统中三轴飞行仿真转台台体1与三轴飞行仿真转台控制下位机3直接相连，三轴飞行仿真转台控制下位机3将姿态控制信号发送给直流力矩电机，实现对飞行仿真转台台体1的控制；三轴飞行仿真转台控制上位机2通过100M高速以太网卡与三轴飞行仿真转台控制下位机3进行通讯，实现命令设置及数据传输。
[0056] 依照图2完成系统光纤网络的交联。仿真控制开发主机6与CPCI仿真机5通过以太网络，采用普通点对点网线连接；第一个反射内存光纤网络
节点的VMIPMC-5565反射内存卡安装在CPCI仿真机5内与VMIACC-5595光纤交换机通过LC/LC多模光纤线相连。第二个反射内存光纤网络的节点的VMIPCI-5565反射内存卡安装在三轴飞行仿真转台控制下位机3内与VMIACC-5595光纤交换机通过LC/LC多模光纤线相连。如进行扩展方案，例如加入视景仿真功能，则第三个反射内存光纤络网的节点的VMIPCI-5565反射内存卡可安装在视景仿真机内与VMIACC-5595光纤交换机通过LC/LC多模光纤线相连，系统扩展十分便捷。
[0057] 第二步进行系统软件的配置。本发明飞行仿真系统的软件结构如图5所示。
[0058] 仿真控制开发主机6中安装Matlab 6.5、VxWorks V5.5实时操作系统的集成开发环境Tornado2.2和Appsim仿真软件，CPCI仿真机5中安装有VxWorks V5.5实时操作系统。在仿真控制开发主机6中打开Matlab/Simulink数学建模工具，在仿真参数设置菜单solver
选项卡中设置仿真方式为单任务模式，同时设定仿真步长为0.001s；在real-time workshop选项卡中，选择对应的目标类型为APPSSIM0.tlc神州普惠实时仿真平台，代码生成选项设置为外部模式。
[0059] 三轴飞行仿真转台控制上位机2软件采用
可视化编程语言VC++编制，将其设置为仿真工作模式，等待CPCI仿真机5发送控制指令。
[0060] 第三步进行CPCI仿真机5仿真软件的编写。
[0061] 设置完成后，在Matlab/Simulink中建立如图3的仿真模型，选择RTW实时工作空间为外部工作模式，并对模型进行编译后可生成基于VxWorks V5.5实时操作系统嵌入式目标仿真代码，将该代码结合数据发送程序下载到CPCI仿真机5中运行。最终运行在CPCI仿真机5中的软件流程图见图6，首先进行反射内存卡中断向量寄存器的设置，用于实现在中断模式下的姿态数据发送，然后初始化数据变量以及标志位，完成初始化以后进入1ms周期性循环发数，循环中首先进行判断标志位，如果标志位为“0”表示三轴飞行仿真转台控制下位机3已经读取了发送的姿态数据，此时可以发送新的数据，如果不为“0”则进行查询判断直到三轴飞行仿真转台控制下位机3完成数据的读取。判断完成后即可发送新的姿态指令数据，并将标志位重置为“1”，表示有新的数据尚未被读取，最后向三轴飞行仿真转台控制下位机3发送中断指令，完成数据发送流程，转入仿真的其他任务流程直到当前周期结束。
[0062] 第四步进行三轴飞行仿真转台控制下位机3软件的编写。
[0063] 三轴飞行仿真转台控制下位机3的软件流程图见图7，该程序初始化完成后即等待三轴飞行仿真转台控制上位机2的指令，分别可进入“设置参数”、“测控、演示、归零”、“仿真运行”和“退出”四种状态。其中“设置参数”用于
修改转台的控制参数；“测控、演示、归零”、“仿真运行”均调用相应实时控
制模块，可使转台分别工作在仿真模式、位置模式和速率模式，并将执行状态返回给三轴飞行仿真转台控制上位机2；“退出”即退出实时
控制模块，同时记录保存数据文件，将状态上报给三轴飞行仿真转台控制上位机2准备退出，最后程序结束。仿真模式是三轴飞行仿真转台系统的重点工作模式，三轴飞行仿真转台控制下位机3软件的实时控制模块是实现对三轴飞行仿真转台台体1实时控制的关键。为保证在1ms周期下能够收到正确的姿态指令数据，控制三轴飞行仿真转台台体1执行作动，采用中断机制并配合响应来自CPCI仿真机5的周期中断指令，三轴飞行仿真转台控制下位机3的中断响应流程图见图8。该三轴飞行仿真转台控制下位机3收到来自CPCI仿真机5的中断指令以后，首先判断标志位：如果标志位为“1”，表示仿真机新的姿态数据指令已经发送，则读取来自反射内存光纤网络的姿态数据，并与上一周期数据进行比较，如果相同则直接跳过转台控制程序，如果不同则将新的数据发送给实时控制模块程序计算控制信号输出进行转台姿态的控制，完成后均将标志位置为“0”，表示新数据读取完毕，然后退出中断；如果不为“1”则表明数据状态异常，设置故障字为“1”，然后退出中断。
[0064] 若扩展视景仿真功能，则需要对视景仿真机进行软件的编写。视景仿真系统
软件包括视景图形实时显示及处理功能和姿态、位置数据实时采集功能，视景图形实时显示及处理功能与本发明无关，不进行赘述。视景显示对象的姿态及位置参数是来自反射内存光纤网络，由CPCI仿真机5发送，视景仿真机可采用中断的方式进行
数据采集，此程序与三轴飞行仿真转台控制下位机3的中断响应程序相同。
[0065] 第五步开展系统仿真试验。
[0066] 打开AppSim仿真软件(界面如图4所示)，设置目标机和开发主机的IP，建立目标机与开发主机之间的网络连接；选择需要执行的模型文件，下载目标仿真代码，启动仿真运行，则可实现CPCI仿真机5对转台系统的实时控制。在系统实时仿真过程中，可设置监视变量和设置所需记录的变量，也可在线调节参数，实时查看监视变量曲线。系统实时仿真结束后，可导出保存的变量值并进行后处理。
[0067] 本发明
说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
