Программно-аппаратный комплекс имитации режимов полёта самолёта

ма с тремя малогабаритными гировертикалями, система гидропитания стенда, система электроснабжения стенда, проводка управления с рулевыми приводами РП-56, элементы рулевых поверхностей (элероны, интерцепторы, хвостовое оперение). Аппаратная реализация стендового комплекса полностью соответствует бортовому варианту.

Модель учебного процесса на данном стендовом комплексе представлена на рис. 1.

В соответствии с руководством по технической эксплуатации воздушного судна и описания стендового оборудования создаются методические указания по выполнению учебного занятия. Студент изучает техническую документацию, в соответствии с методическими указаниями выполняет работу на стенде и составляет отчёт.

Стендовый комплекс позволяет имитировать следующие режимы:

• -    разбег и отрыв от взлётно-посадочной полосы;

• -    набор высоты;

• -    горизонтальный полёт в штурвальном режиме;

• -    режимы автономного автоматического управления;

• -    снижение и заход на посадку.

Дальнейшее усложнение лабораторного задания требует от студента более высокого уровня подготовки. Это связано с отсутствием визуального представления полёта на стенде. Данное обстоятельство не позволяет устанавливать более сложные задания студентам (например, работа систем в нестандартных ситуациях – при частичных или полных отказах).

В связи с этим разработка и создание визуальной панорамы, с возможностью отображения параметров полёта, для стендового комплекса значительно повысит эффективность его приме-

Рис. 1. Модель стандартного учебного процесса

нения в учебном процессе, а так же позволит выполнять научно-исследовательскую работу.

Для этого случая предложена модель учебноисследовательского образовательного процесса (рис. 2).

Студент является центральным звеном, перед которым ставится исследовательская задача (например, как будет работать система автоматического управления в режиме разворота на заданный угол курса при отказе гидропитания двух подканалов рулевого агрегата РА-56 в проводке управления элеронами). Для решения поставленной задачи студент обеспечен всей необходимой исходной информацией (РТЭ, описание стенда, среда графического программирования LabVIEW, авиасимулятор FlightGear), а так же рекомендациями по работе на стенде (методические указания №1) и рекомендациями по моделированию полётных ситуаций (методические указания №2). После выполнения экспериментальной части составляются отчётные материалы, обязательной частью которых является систематизация и обоснование полученных результатов.

Для реализации предложенной методики разработан программно-аппаратный комплекс имитации режимов полёта самолёта (рис. 3). Комплекс состоит из двух основных частей:

• 1.    Система сбора и обработки информации. Система реализована на аппаратно-программных платформах компании National Instruments: PXI-платформа и среда графического программирования LabVIEW;

• 2.    Авиасимулятор “FlightGear” — это кросс-платформеный проект с открытым исходным кодом, разрабатываемый коллективно. Весь исходный код проекта доступен и лицензирован. Лицензия GNU General Public License.

Цель проекта FlightGear состоит в том, чтобы создать авиасимулятор для использования в исследовательских и академических средах, для развития и преследования других интересных идей моделирования полета, и как приложение для пользователя.

Функциональная нагрузка комплекса обеспечивает:

• -    непрерывный сбор данных о параметрах полета самолета;

• -    фильтрация и оцифровка аналоговых сигналов датчиков;

• -    расчет текущих координат местоположения ЛА;

• -    передача параметров полета в программу – симулятор;

• -    контроль правильности отработки параметров программой - симулятором.

  

  Рис. 2. Модель учебно-исследовательского образовательного процесса

  
  
  

  Рис. 3. Структурная схема программно-аппаратного комплекса имитации режимов полёта самолётов

  
  

В качестве исходной информации используются базовые сигналы о положении самолёта в пространстве и его высотно-скоростные параметры: курс, крен, тангаж, скорость и высота полета.

Источниками сигнала крена и тангажа являются три малогабаритные гировертикали МГВ-1СК, установленные на поворотной двухстепенной платформе. Гировертикаль МГВ-1СК формирует выходные сигналы в виде напряжения переменного тока с синусно-косинусных трансформаторов СКТ-265Д канала крена, и СКТ-232 канала тангажа, которые поступают в блок коммутатора гиродатчиков КГ-7. В блоке КГ-7 они преобразуется в сигнал постоянного тока, изменяющийся в пределах (-12,5…+12,5) В. Информация в подобном виде удобна для обработки и калибровки системой сбора данных.

Параметры полного и статического давления поступают на вход вычислителя скорости, числа маха и высоты ВСМВ-1-15, где преобразуются в напряжение переменного тока. Затем сигналы поступают в блоки преобразования напряжения БПнП-4 канала барометрической высоты и БПнП-10 канала истинной воздушной скорости. В этих блоках сигналы преобразуются, и выдаются последующим потребителям в виде относительных сопротивлений. Диапазон сопротивлений изменяется пропорционально скорости и высоте в диапазоне от 1кОм до 3кОм. Система сбора данных генерирует напряжение питания потенциометров U=5В и замеряет величину падения напряжения на потенциометре.

Источником сигнала курса является точная курсовая система ТКС-П2. Данная система имеет два первичных источника сигнала курса. Пер- вый источник – гироагрегат ГА-3, формирующий значение гирополукомпасного курса. Второй -индукционный датчик ИД-3, воспринимающий результирующий вектор напряжённости магнитного поля Земли и формирующий сигнал магнитного курса самолета.

Ввиду технической сложности обработки сигналов от первичных источников, наиболее целесообразным решением является использование сигнала гиромагнитного курса из блока БГМК-2. Данный блок выдает потребителям гиромагнитный курс, т.е. магнитный курс, выработанный с помощью ИД-3 и осредненный гирополукомпас-ным курсом. Одним из потребителей является блок распределительный БР-40, предназначенный для выдачи сигналов, пропорциональных курсу, в виде постоянного и переменного тока записывающим, телеметрическим устройствам и другим потребителям в диапазоне от 0° до 360°. Блок БР-40 преобразует сигнал гиромагнитного курса из БГМК-2 и выдаёт его потребителям в виде падения напряжения на потенциометре. Сопротивление потенциометра измеряется системой сбора данных.

Обработка исходной информации осуществляется программой – виртуальным прибором, разработанным инструментами графического программирования LabVIEW.

Формирование визуального изображения полёта осуществляет программа-симулятор “FlightGear”.

Обмен данными между виртуальным прибором и “FlightGear” происходит путём передачи UDP пакетов посредством интерфейса Ethernet.

Протокол UDP является одним из двух основ- ных протоколов транспортного уровня, расположенных непосредственно над IP. Он предоставляет прикладным процессам транспортные услуги, которые не многим отличаются от услуг, предоставляемых протоколом IP.

С одной стороны протокол UDP в отличие от протокола TCP не обеспечивает надежную доставку дейтаграмм. Его пакеты могут быть потеряны, продублированы или прийти не в том порядке, в котором они были отправлены. К заголовку IP-пакета он добавляет два поля, одно из которых, поле «порт», обеспечивает мультиплексирование информации между разными прикладными процессами, а другое поле – «контрольная сумма» – позволяет поддерживать целостность данных.

Однако функциональная простота протокола UDP обуславливает простоту его алгоритма, компактность и высокое быстродействие. Поэтому для приложений, в которых реализован собственный, достаточно надёжный, механизм обмена сообщениями, предпочтительно использовать менее надёжные, но зато более быстрые средства транспортировки – UDP-протоколы. Протокол UDP может быть использован и в том случае, когда имеется хорошее качество каналов связи, обеспечивающее достаточный уровень надёжности и без применения дополнительных приёмов (например, установления логического соединения и квитирования передаваемых пакетов).

В рамках разрабатываемой системы виртуальный прибор LabVIEW выполняет следующие функции:

• -    прием значений параметров полета от системы сбора данных;

• -    вычисление географических координат местоположения самолёта;

• -    формирование и отправка UDP-пакета со значениями параметров полета в программу-симулятор;

• -    прием и расшифровка UDP-пакета со значениями параметров полёта, отработанными программой-симулятором;

• - вывод значений курса, крена, тангажа, скорости, высоты и географических координат, полученных с лабораторного стенда и из програм-

• мы-симулятора для контроля работоспособности системы.

Основной частью виртуального прибора является цикл “FOR”, под средством которого происходит приём значений от системы сбора данных и расчёт дополнительных параметров, необходимых для правильного отображения модели самолёта, а именно географических координат места (широта и долгота).

Затем все данные формируются в таблицу в строгой последовательности. Последовательность определяется специальным файлом – протоколом. В нём записана последовательность параметров, приходящих в симулятор. Этот файл необходим для правильной интерпретации симулятором полученных данных. Фрагмент блок-диаграммы виртуального прибора представлен на рис. 4.

Для определения широты и долготы используются значения истинной воздушной скорости V_u ; текущего гиромагнитного курса Y _mk ; и время формирования пакета A T .

Исходя из полученных значений, рассчитывается расстояние, пройденное самолётом, за время формирования пакета A T :

A S = V u -A T , (1) где A S — расстояние, км.

Далее рассчитанное значение A S используется для вычисления географических координат:

А(Р =--COSV          /о\

^ 1112 гмк ’          ⁽²⁾

A S

AA  --sin Y  • cos Y

_{111 2}         гмк        гмк ,

где A ^ - изменение широты места за время A T , град.;

A ^ - изменение долготы места за время A T , град.

Для работы программы-симулятора “FlightGear” необходимы не приращения координат, а текущие значения широты и долготы места самолета. Поэтому они рассчитываются виртуальным прибором путём интегрирования приращений географических координат по формулам (4) и (5):

Рис. 4. Фрагмент блок-диаграммы виртуального прибора (приём данных)

A T

Ф = Ф 0 + J Aф dt ,            (4)

t =0

A T

Л = Л 0 + J А Л /t ,            (5)

t =0

где ф ₀ - значение широты места в начальный момент времени;

Л ₀ - значение долготы места в начальный момент времени.

Так как UDP протокол передачи данных считается ненадёжным, то для повышения точности и стабильности системы применён алгоритм формирования и отправки пакетов высокой частоты. Для решения этой задачи, в виртуальном приборе существует специальный блок, который задаёт временной интервал задержки между пакетами.

Задачей программы-симулятора “FlightGear” является приём данных от виртуального прибора LabVIEW и отображение трёхмерной модели самолёта и окружающего пространства (рис. 5).

Для имитации различных режимов полёта применяются разнообразные методы отображения информации и мониторинга полёта. Для примера на рис. 6 представлена навигационная карта, содержащая информацию о местоположение самолёта в реальном масштабе времени, а также близлежащие навигационные точки и аэропорты.

С помощью навигационной карты можно моделировать отклонение от линии заданного пути. При выполнении работы студенты могут в доступной и наглядной форме увидеть траекто-

Рис. 5. Виртуальная модель самолета

Рис. 6. Навигационная карта

рию полёта самолёта, точно фиксировать момент прохождения промежуточных пунктов маршрута и наблюдать за формированием и накоплением ошибки в виде отклонения самолёта от линии заданного пути.

Таким образом, разработанный программноаппаратный комплекс симуляции режимов полёта самолёта является эффективным инструментом для выполнения исследовательских и учебных работ.