基于GL Studio的飞行模拟器半实物仿真仪表的设计与实现

彭昌毅

（芜湖航翼集成设备有限公司，安徽 芜湖 241000）

0 引言

本研究结合现有的实装飞行模拟器搭载的机械式驱动和嵌入式驱动两种半实物仿真仪表，通过拆解修理分析，总结两者的优缺点，并结合现有技术，提出一种全新的飞行模拟器半实物仿真仪表的设计思路。

传统的机械式仪表通常是由航空总线接口、电机、传动齿轮以及机械式仪表面板组成。所以，传统的机械式仪表也可理解为机电一体化仪表。以某发动机排气温度表为例，其工作流程为：通过总线接口传递电信号，驱动电机转动，进而带动传动齿轮运动，最终实现表盘的指针转动。

在飞行时，机械式仪表具有较强的抗干扰能力，目前应用的飞行模拟器均采用传统的机械式仪表。为了能够控制机械式仪表的指针转动，特别是在跨360°（也即0°）角时，需要设计复杂的PID控制算法进行跨临界角转动。为了提高模拟器的仿真逼真度，需要提高对机械仪表齿轮等精密器件的设计精度与制造要求，导致机械式仪表的生产成本增加。

飞行模拟器作为地面模拟飞行训练的装备，对实装飞机来说，其运行环境相几乎没有外界强烈的干扰，所以在对座舱仪表进行仿真过程中，可使用非机械式仪表来代替。目前，较为常见的方法是采用机械表盘结合嵌入式驱动模块来实现飞行模拟器的仿真仪表。以某襟翼冷气压力表为例，其工作流程为：通过总线接口来传递电信号，使能驱动模块，进而传动电机运动，从而实现表盘的指针转动。

在不考虑抗干扰因素的影响下，航空仪表的驱动效果与机械式仪表是一样的，不同之处在于，航空仪表控制仪表指针在临界点的转动可通过对驱动模块编程来实现，减少对机械式表盘控制算法的设计。当被仿真的航空仪表较为复杂时，如指令地平仪和航道罗盘指示器，这种设计方式对驱动模块的功能选型提出了更多的要求。另外，随着仪表指针转向维度的增加，转动电机的个数也会逐级递增。

机械式仪表存在制作工艺复杂、经济成本较高、要设计复杂的控制算法、指针转动精度一般等问题。机械表盘结合嵌入式驱动模块的仿真仪表同样也存在制作工艺复杂、难以仿真较为复杂的航空仪表等问题。本研究提出一种嵌入式计算机图形仿真仪表，可满足小型化、高精度、可更换等要求，采用GL Studio软件架构，并结合拿铁熊猫硬件平台，以指令地平仪为研究对象，开发出一种嵌入式飞行模拟器半实物仿真仪表。

1 飞行模拟器半实物仿真仪表软件的设计与实现

1.1 基于GL Studio的半实物仿真仪表设计

GL Studio由图形设计区（Geometry）、代码编辑区（Code）、应用设计区（Application）、源码生成区（Generation）和资源编辑区（Resources）组成。其中，设计过程中主要使用的是图形设计区和源码生成区。图形设计区提供一个“所见即所得”的图形编辑交互窗口，并提供设计模式（Modes）、设计转换（Convert）、设计调整（Modify）和创建设计（Create）等交互式操作接口，从而使用户的可视化创建与设计变得更加便捷。代码生成区用于创建可视化界面对象，并生成对应的C++类模块，使用者可通过编辑、调试及调用该类，从而实现对可视化对象的控制。

孙艳丽等［1］为解决院校实验教学、装备培训等要满足大量人员同时使用的需求，基于GL Studio软件开发出电源柜和示波器，取得了较好的教学培训效果；徐国标等［2］探讨了如何利用GL Studio软件来设计实现“照片级”的虚拟仪表，为本研究的软件开发提供了借鉴思路；李建海等［3］利用GL Studio软件实现了气压高度表，并通过UDP实现对飞行模拟器的数据交互，但该方法仅在软件工程中实现，并没有在实际中设计出可用于模拟器实装的表盘。

参考上述设计实例，本研究以某型飞机机载指令地平仪为例，设计出基于GL Studio的飞行模拟器半实物仿真指令地平仪，具体流程如图1所示。

1.2 半实物仿真指令地坪仪的设计步骤与实现

结合图1的半实物仿真仪表的设计流程，指令地坪仪的设计步骤如下。

1.2.1 指令地平仪的图形准备工作。通过对指令地平仪的实物组件进行划分，其表盘由5个可单独拼接的子部件组成。因此，指令地平仪的图形准备工作阶段主要是通过绘图工具来绘制出5个子部件的纹理图片（见表1）。

表1 指令地平仪的纹理创建

1.2.2 指令地平仪的模型创建。在GL Studio软件中创建并设计指令地平仪的模型。①在MS VC++8.0中新建基于“GL Studio 3.2 Application Wizard”的工程，并命名为“MeterHorizon”；②打开该工程下后缀名为“.gls”的文件，设计指令地平仪模型；③在GL Studio绘制面板中添加“Rectangle”对象并命名，并在该命名对象上添加纹理；④重复第③步，添加的“Rectangle”对象和对应纹理顺序依次为：刻度板部件、仪表转动背景部件、指针部件、指针刻度板部件和仪表内壳部件。至此，完成了基于GL Studio的指令地平仪模型搭建工作。

1.2.3 GL Studio结合MS VC++8.0的指令地平仪功能软件开发。结合上述搭建的指令地平仪模型，首先在GL Studio的Code页面中编辑指令地平仪控制代码，在void Calculate（double time）内编辑如下代码，用于实现指令地平仪的仿真运动。

∕∕实现刻度板部件的俯仰运动

f=gRecvData.horizon_pitch*-2.5f；

ScalePitch-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

∕∕实现刻度板部件的滚转运动

f=gRecvData.horizon_roll*-1；

ScalePitchGroup-＞DynamicRotate（f，Z_AXIS）；

∕∕实现指针部件中的飞机标转动

f=gRecvData.horizon_plane；

PlaneLeft-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

PlaneRight-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

∕∕实现指针部件中飞机标阴影转动

PlaneShaderL-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

PlaneShaderR-＞DynamicTranslate（0，f，0，false）；

然后生成指令地平仪对象的头文件和源文件代码，在MeterHorizon工程中添加上述头文件和源文件，并增加基于UDP协议的网络通信模块，编辑并生成指令地平仪仿真仪表的可执行文件。

2 飞行模拟器半实物仿真仪表的硬件环境配置与实现

2.1 半实物仿真仪表的硬件选型及实现流程

在本研究所提出的飞行模拟器半实物仿真仪表设计方案中，仿真仪表的设计与开发工作主要是在装有Windows操作系统的个人计算中完成，最终生成仿真仪表对应的可执行文件。

结合飞行模拟器半实物仿真仪表的应用场景，选型LattePanda Win10企业版的嵌入式硬件平台，将上述可执行文件部署在该平台上，即可完成对飞行模拟器半实物仿真仪表的软硬件搭建与部署。以指令地平仪为例，具体的实现流程见图2。

图2 指令地平仪半实物仿真仪表的部署与实现流程

2.2 半实物仿真指令地坪仪的部署与实现

从图2可以看出，半实物仿真指令地平仪的软硬件开发过程可分为3个阶段。

2.2.1 在Windows XP及以上操作系统中开发基于GL Studio的飞行模拟器仿真仪表，完成开发后，将生成相应的可执行文件进行打包。

2.2.2 完成基于拿铁熊猫开发板的操作系统安装和硬件连接。在该开发板中安装Win10的操作系统，然后通过飞行模拟器座舱牵引出5 V∕2 A予以供电，并通过网线连接实现UDP报文的传输。

2.2.3 将第一阶段生成的可执行文件部署在拿铁熊猫开发板中，运行执行文件，最后通过HDMI视频信号将具体的仪表信息通过视频信号驱动板和定制显示器显示给用户端。

2.3 半实物仿真指令地坪仪外观结构设计

为满足某型飞行模拟器中半实物仿真指令地坪仪的修理要求，通过原机测绘，设计出本研究研制的飞行模拟器半实物仿真指令地平仪外观结构（见图3至图6）。

图3 半实物仿真指令地平仪三维示意图

图6 半实物仿真指令地平仪后视图（单位：mm）

3 三种半实物仿真仪表的对比分析

将本研究所提出的嵌入式计算机图形仿真仪表与传统的机械式仿真仪表、机械表盘组合嵌入式驱动式模块仿真仪表进行对比分析（见表2）。

图4 半实物仿真指令地平仪主视图（单位：mm）

由表2可知，本研究所提出的基于GL Studio结合嵌入式计算机半实物仿真图形仪表较其他两种仪表具有明显的优势：①软件具有很好的可拓展性，通过修改GL Studio配置文件，可实现对不同类型的仪表设计与开发；②硬件平台具有低成本、易更换、连接方式简单等优点；③仪表外壳的机械加工同样可实现不同需求的个性化定制。

表2 三种半实物仿真仪表的对比分析

图5 半实物仿真指令地平仪俯视图（单位：mm）

4 结语

本研究利用GL Studio软件架构实现对半实物仿真仪表的建模设计以及仪表驱动程序的开发，并结合嵌入式拿铁熊猫硬件平台，安装嵌入式Win10操作系统，将GL Studio的仪表仿真模型部署到该嵌入式计算机中，基于UDP报文协议与飞行模拟器主仿真程序通信，通过HDMI输出目标仪表的视频显示结果。最后，通过原机测绘，设计目标半实物仿真仪表的机械外壳。将总装集成后的仪表装配于待修理飞行模拟器，完成该项修理任务。