基于xPC的飞行仿真平台设计

王振华

摘 要：设计了基于xPC目标的实时飞行仿真平台。该平台采用xPC建立实时仿真环境，通过反射内存卡组成实时仿真网络。通过RTW的自动代码生成功能，将飞行仿真模型生成实时代码加载到xPC目标机，实时运行飞行仿真模型。通过连接驾驶舱操纵设备、显示系统及视景系统，实现了逼真的飞行仿真环境。试验结果表明，该平台实时性强，通讯稳定，数据传输率和准确率较高，可视化效果好，具有较高的仿真置信度和可靠度。

关键词：xPC目标；反射内存卡；飞控系统；飞行仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.171230

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）007-0084-03

0 引言

民用飞机电传飞控系统研制过程中，為了对总体架构、功能、逻辑、接口、控制律等关键技术进行研究，需要建立分析、计算、仿真及试验平台，为系统设计与测试人员提供仿真测试环境。然而，建立真实系统仿真模型十分困难，纯数字仿真又忽略了很多因素，如模型本身的结构和参数变化、信号的量测噪声、外部扰动等。因此，纯数字仿真得出的结果用于实际系统并不理想，这就需要对系统进行半实物仿真[1-2]。

半实物仿真又称硬件在环仿真（Hardware in the Loop，HIL），它把数学模型、实体模型和系统设备联系在一起运行，组成仿真系统。实时性是进行半实物仿真的必要前提。从系统观点来看，因有实物介入仿真回路，从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验，是提高系统设计可靠性和质量的必要手段[3-4]。

飞控系统仿真测试对实时性要求较高，可以基于专用仿真机完成，如AD100、RTS620。这些仿真机相对于非专用仿真系统，具有实时性好、可直接用于半物理仿真、扩展性好等优点，缺点是价格非常昂贵，且开发维护非常困难[1，2]。

随着计算机软硬件技术的迅速发展，开发廉价、高精度的实时仿真平台成为可能。本文设计了一种基于Matlab的xPC Target工具箱设计的实时飞行仿真平台，用于民用飞机飞控系统功能验证等试验。

1 xPC目标

xPC Target是Mathworks公司开发的基于Real-Time Workshop （RTW）体系框架的附加产品，可将X86计算机或PC兼容机转变为一个实时系统，且支持许多类型的I/O设备板。

xPC Target 是一种高性能的主机-目标机原型环境，即“双机模式”。主机和目标机可以是不同类型的计算机。利用xPC Target可以在主机上设计模型，并用Real-Time Workshop和Stateflow Coder自动生成代码，最后下载到运行xPC Target实时内核的目标机上。用户可以使用32位或64位x86架构的电脑作为实时目标系统，软件运行在32位模式下。 xPC Target通过以太网连接或串口线连接，实现主机与目标机之间的通信。另外，使用独立提供的 xPC Target Embedded Option，用户可以在独立目标机上开发实时嵌入式系统，用于生产、控制、信号处理、数据获取、标定和测试等场合[5]。

2 仿真平台总体设计

飞行仿真平台包括驾驶舱操纵设备、综合控制台、仪表显示系统、视景系统、硬件接口系统、上位机、仿真目标机等，如图1所示。在上位机上完成飞行仿真模型的搭建（模型在Matlab /Simulink环境下搭建），所搭建的模型包括飞机本体模型、飞控系统模型、环境模型等飞行仿真所需模型。此外，还需要在上位机上进行飞行参数设置、飞行路径规划等操作，在完成模型的参数设置后，通过RTW 将模型及参数一起下载到xPC仿真目标机，进行实时仿真。

侧杆、脚蹬（飞行模式控制板）等操纵机构通过信号调理板，统一连接到接口计算机的数字信号采集卡或模拟信号采集卡，这些操纵机构通过接口计算机和反射内存网，向xPC目标机提供各种飞行操纵信号和状态信号，xPC目标机也可通过接口计算机和反射内存网向自动着陆灯、侧杆权限指示灯和FMCP发送控制信号，控制其状态。xPC目标机上运行飞机实时仿真模型，实时接收来自操纵机构的信号，完成人在回路的飞行模拟仿真。

3 硬件设计

飞行仿真平台包含实时仿真部分和显示控制部分。飞行仿真平台原理如图2所示。

图2中右下部是实时仿真部分，左上部是显示控制部分。实时仿真部分通过反射内存网和信号调理板互联[6]；显示控制部分通过千兆以太网和仪表仿真计算机互联；xPC目标同时连接反射内存网和千兆以太网，是仿真平台两个部分的桥梁，也是整个仿真平台的核心。

实时仿真部分组成及功能描述见表1。

xPC目标机作为实时仿真机，是整个仿真平台的核心，和其它系统接口关系较为复杂，各种连接关系如下：①通过反射内存网接收来自计算机的操纵信号；②通过反射内存网向接口计算机发送指示灯等控制信号；③通过以太网向综合控制台发送飞机状态数据，显示相关信息；④通过以太网接收来自综合控制台信息，驱动信息显示；⑤通过UDP向仪表控制计算机发送仪表驱动数据；⑥通过UDP通信接收来自顶部触摸屏的控制信号；⑦通过UDP向视景计算机发送视景驱动数据。

硬件接口系统采用1 台工控机采集侧杆、脚蹬等信号，接口计算机上配置数字信号采集卡、模拟信号采集卡和VMIC反射内存卡。接口计算机上实时运行接口系统软件，负责实时采集侧杆、脚蹬等信号，并通过反射内存交换网输出到仿真模型目标机上。

4 实时仿真模型

在进行实时仿真之前，需要在Matlab/Simulink环境下开发各个系统的仿真模型，如飞机本体模型、发动机模型、起落架模型、舵机模型、传感器模型、飞行员模型、控制器模型等。各种系统模型和一些辅助功能模块集成后形成数字仿真模型。在数字仿真模型的基础上，将顶层输入飞行员模块和输出显示模块替换为含硬件IO板卡驱动的模块，即可得到实时仿真模型。

仿真模型的层次和连接关系尽量与物理系统保持一致。

仿真模型顶层结构如图3所示。顶层模型包括9个模块：①飞机系统模块：飞机系统模块是顶层模型的核心，包含飞机本体模型和飞控系统模型；②环境模块：环境模块包括大气模型、风模型、重力模型、机场模型等，为飞机系统模块提供环境相关信息；③故障设置模块：它接收来自控制台的故障数据，为飞机系统模块提供系统故障信息；④视景通信模块：負责驱动视景系统；⑤控制台通信模块：负责向控制台发送飞行仿真数据；⑥示波器和数据存储模块：示波器模块记录主要的仿真数据；⑦模型信息显示模块：显示版本、日期相关信息；⑧准实时仿真模块：可在Windows环境下，使模型近似实时运行；⑨初始化脚本模块：完成模型初始化功能，在此可更改初始仿真条件。

实时仿真模型通过xPC Target自动代码生成功能，生成实时代码并编译链接后下载到xPC目标机上运行，实现实时仿真。

实时仿真软件运行模式为Standalone模式，开机后自动运行，并处于待机状态，等待接收来自试验总控台的仿真控制指令。

实时仿真软件在内存中记录仿真数据，仿真结束后，由程序调试计算机通过以太网接收仿真记录数据，存盘并进行绘图分析。

5 仿真实验

通过建立的飞行仿真平台，对某型飞机飞行控制系统进行了飞行品质评估实验。以左升降舵卡阻实验为例，空中左升降舵突然卡阻，飞行员需按操作程序操纵飞机，维持飞机平稳飞行。图4是飞行员操纵及飞机响应曲线。

试验中，左升降舵突然卡阻在-2°，飞机迎角、俯仰角增大，飞行员通过操纵侧杆，将迎角、俯仰角恢复到平稳飞行状态。仿真实验结果表明，该平台实时性强，通讯稳定，数据传输率和准确率较高，可视化效果好，具有较高的仿真置信度和可靠度。

6 结语

本文构建了一种基于xPC的飞行仿真平台。该平台以侧杆、脚蹬等作为操纵输入，采用xPC建立实时仿真环境，通过反射内存卡组成实时仿真网络。通过构建驾驶舱仿真设备、视景显示系统及飞行仿真模型，实现了侧杆操纵逻辑及飞控系统性能评估的实时、直观仿真环境。仿真实验表明，该平台具有较高的仿真置信度和可靠度。

参考文献：

[1] 王先泽，刘志勤，陈怀民，等.基于xPC目标的飞控系统半实物实时仿真[J].科学技术与工程，2007，7（21）：5609-5613.

[2] 吴佳楠.实时仿真设备驱动程序开发技术研究[J].计算机仿真，2005，22（4）：32-35.

[3] 单家元.半实物仿真[M].北京：国防工业出版社，2008.

[4] 王晓东，董新民，姚崇.基于xPC的飞行控制系统半实物仿真设计[J].传感器与微系统，2011，30（2）：122-124.

[5] 杨涤.系统实时仿真开发环境与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

[6] 扬飞鸿，王旭永，陶建峰，等.基于xPC和反射内存网的半实物仿真[J].上海交通大学学报，2010，44（7）：892-896.