本發(fā)明涉及飛行訓(xùn)練模擬領(lǐng)域，具體涉及一種飛行駕駛模擬器系統(tǒng)及模擬方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的高精尖技術(shù)運用于當(dāng)代的軍用飛機之中，這就需要飛行員必須具備嫻熟且精湛的駕駛技術(shù)，才能出色的完成各項操作任務(wù)。眾所周知，在真實的飛機駕駛艙內(nèi)訓(xùn)練飛行員，需要耗費大量的物資，而且所需的空域場地不能隨意安排，更為關(guān)鍵的是在真實飛機上難以模擬一些特殊的突發(fā)狀況，基于這不利因素，采用地面模擬器來訓(xùn)練飛行員成為一種經(jīng)濟有效且安全的方式。

目前大多數(shù)傳統(tǒng)飛行模擬軟件的仿真度都比較低，功能模塊不夠完整，如今飛行駕駛艙內(nèi)的功能模塊十分繁雜，模塊中的邏輯比較復(fù)雜，同時模塊之間又相互影響，具有較強的耦合性，傳統(tǒng)的飛行器模擬器軟件已經(jīng)不能完成飛行訓(xùn)練日益增長的需求。同時傳統(tǒng)的飛行模擬器面向?qū)ο筮^于泛化，而目前飛行器種類多樣，有不少飛行器駕駛艙具有特殊的功能模塊，比如夜間燈等，如何針對特殊的飛行器設(shè)計特殊的飛行駕駛軟件，這對飛行模擬軟件的擴展性或者說可復(fù)用度有著較高的要求。飛機模擬的仿真度要求日益增高，為了增加飛行模擬的真實感，需采用半物理的方法，即添加實物的駕駛桿和油門桿，傳統(tǒng)的軟件方式已經(jīng)不能夠滿足要求，且由于異地操作的需要，如電傳設(shè)備軟件要外接到飛機上，同時該軟件要把采集到的數(shù)據(jù)返給數(shù)公里外的飛行模擬軟件上，這樣必然對系統(tǒng)的通信功能有著很高的要求。

現(xiàn)有的飛行訓(xùn)練模擬器一般是用于部隊訓(xùn)練，訓(xùn)練成果的成績考核是非常重要的一項。傳統(tǒng)的方式一般是教練員觀看學(xué)員訓(xùn)練并給出成績，費時費力的同時可能還會出現(xiàn)誤差，不能準確評價成績。所以當(dāng)下需要對飛行模擬軟件添加一種成績評價的模塊，同時該模塊還能對操作錯誤的地方進行提示，實現(xiàn)完全的自動化成績考核和校正。

傳統(tǒng)的飛行模擬軟件在設(shè)計上功能單一，每個功能模塊相互獨立、沒有聯(lián)系，不能完成比較復(fù)雜的操作，現(xiàn)在的飛行模擬復(fù)雜度非常高，操作流程多，有時完成一個飛行操作需要幾十步操作，需設(shè)計多個駕駛艙單元模塊，這就要求駕駛艙各個單元模塊必須能夠相互通信，同時由于耦合度提高，必須設(shè)計一個可靠的主程序保證流程準確運行，同時還需多線程技術(shù)保證并發(fā)地完成多個功能模塊的通信，使流程能夠順利地運行，提高程序的健壯性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種飛行駕駛模擬器系統(tǒng)及模擬方法，該系統(tǒng)能夠提高復(fù)雜操作的協(xié)同性，降低操作難度，功能完善，仿真度高，適于訓(xùn)練。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明飛行駕駛模擬器系統(tǒng)由虛擬座艙子系統(tǒng)、檢測訓(xùn)練子系統(tǒng)以及電傳控制子系統(tǒng)組成；虛擬座艙子系統(tǒng)包括圍繞在駕駛座椅四周的左艙操縱控制面板、中艙儀表面板以及右艙操縱控制面板；左艙操縱控制面板上搭載電傳控制子系統(tǒng)，電傳控制子系統(tǒng)包括操縱桿以及多種虛擬傳感器，右艙操縱控制面板上搭載檢測訓(xùn)練子系統(tǒng)；中艙儀表面板向左艙操縱控制面板和右艙操縱控制面板發(fā)送指令并進行顯示，檢測訓(xùn)練子系統(tǒng)與電傳控制子系統(tǒng)之間實現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整與檢測以及故障的排查，且故障信息通過中艙儀表面板顯示。

左艙操縱控制面板、中艙儀表面板、右艙操縱控制面板分別連接主機，主機間通過局域網(wǎng)連接。電傳控制子系統(tǒng)的虛擬傳感器包括轉(zhuǎn)臺、雙軸傳感器、動靜壓給定器及電傳計算機。

本發(fā)明飛行駕駛模擬器模擬方法，包括以下步驟：

a.以真實座艙為模板完成虛擬座艙的圖形建模；

b.設(shè)計圖形界面，截取出所需的圖片紋理，建立控制面板模型；

c.為各個控件設(shè)置屬性，并編寫行為代碼，實現(xiàn)所有的基本功能；

d.座艙中每個面板的界面設(shè)計和功能實現(xiàn)后，將其分別生成為獨立的動態(tài)鏈接庫文件；

e.利用每個面板的功能信息和位置信息為各自的動態(tài)鏈接庫文件命名并加載整合；

f.添加函數(shù)實現(xiàn)動態(tài)鏈接庫文件之間控制參數(shù)的傳遞；

g.為模擬器系統(tǒng)各個元件之間的控制與響應(yīng)編寫邏輯關(guān)系代碼；

h.整體編譯并進行保存及執(zhí)行。

所述的步驟a通過3dmax軟件按照真實座艙圖片繪制出虛擬座艙的三維圖形；步驟b通過picpick軟件截取出所需的圖片紋理，并在glstudio軟件中建立控制面板模型。

步驟d中對生成為獨立的動態(tài)鏈接庫文件采用組件調(diào)用的形式嵌入到主面板上完成仿真。

所述步驟e中將動態(tài)鏈接庫文件插入到glstudio編輯器中完成加載，生成代碼后編輯運行使各個功能正常執(zhí)行。

所述的步驟f中通過glstudio軟件中的resource()函數(shù)對動態(tài)鏈接庫文件進行讀寫操作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明飛行駕駛模擬器系統(tǒng)具有如下的有益效果：為了保證足夠的環(huán)境仿真度，采用半物理的方式，加載了真實的硬件系統(tǒng)，采用操縱桿以及觸摸屏，操縱桿包括駕駛桿和油門桿，駕駛桿1比1仿真a-10c飛機搖桿外形，具有真實的桿力以及觸發(fā)按鈕，能夠?qū)崿F(xiàn)前后推拉以及左右傾斜。該系統(tǒng)由虛擬座艙子系統(tǒng)、檢測訓(xùn)練子系統(tǒng)以及電傳控制子系統(tǒng)組成，三個部分之間協(xié)同操作，提高了內(nèi)容完成度，不僅僅包含飛機的操作部分，還包含飛機的功能檢測部分。虛擬座艙子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人機交互功能，操縱控制面板上的控件或模塊通過后臺程序會返回相應(yīng)的數(shù)值，在儀表面板上顯示相應(yīng)的變化，并通過網(wǎng)絡(luò)通信將虛擬座艙產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)在仿真機之間傳輸，實現(xiàn)了仿真機之間的實時通訊，通過接收網(wǎng)絡(luò)輸入指令，判斷飛行仿真系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而控制仿真界面的顯示。電傳控制子系統(tǒng)提供了電位計來反應(yīng)飛機系統(tǒng)設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，如果發(fā)生故障，會產(chǎn)生相應(yīng)的報警信號，從而產(chǎn)生相應(yīng)的故障處理動作，電位計信息返回給虛擬座艙子系統(tǒng)和檢測訓(xùn)練子系統(tǒng)，使得虛擬座艙的儀表和告警燈得到正確的顯示，然后自檢測系統(tǒng)也能夠知道各部件的狀態(tài)信息。檢測訓(xùn)練子系統(tǒng)設(shè)計了虛擬檢測訓(xùn)練面板，訓(xùn)練過程中設(shè)有相應(yīng)的操作卡，飛行員根據(jù)操作卡中的內(nèi)容完成相應(yīng)步驟，檢測訓(xùn)練面板同時能夠測量電傳控制子系統(tǒng)以及虛擬座艙子系統(tǒng)的反饋信號，顯示其他系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)實體檢查儀的所有功能。

進一步的，本發(fā)明左艙操縱控制面板、中艙儀表面板以及右艙操縱控制面板分別連接不同的主機，主機之間通過局域網(wǎng)連接，采用udp/ip方式通信能夠?qū)崿F(xiàn)模塊之間的異地分布，提高系統(tǒng)針對特殊環(huán)境的可用性，網(wǎng)絡(luò)通信的實時性、可靠性和可擴展性較好。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明飛行駕駛模擬器的模擬方法為各個控件設(shè)置屬性，并分別編寫行為代碼，實現(xiàn)所有的基本功能，形成各個功能的模塊類，這樣就能夠保證系統(tǒng)功能的可擴展性和代碼的可復(fù)用性。座艙中每個面板的界面設(shè)計和功能實現(xiàn)后，將其分別生成為獨立的動態(tài)鏈接庫文件在模擬器后期的聯(lián)合調(diào)試和完善過程中，如果需要對某個面板的功能進行修改和補充，只需要修改該虛擬面板的程序代碼即可，不會干涉到其他面板功能的正常進行。本發(fā)明方法能夠提高復(fù)雜操作的協(xié)同性，降低操作難度，功能完善，仿真度高，適于訓(xùn)練。

進一步的，本發(fā)明模擬方法采用3dmax軟件進行圖片素材的繪制，界面設(shè)計人性化，擁有可堆疊的建模步驟，使得模型制作更加彈性，同時具有渲染的功能，從而使駕駛艙模擬器在視覺上更加真實，方便飛行學(xué)員進行學(xué)習(xí)。通過glstudio軟件建立控制面板模型，將虛擬座艙子系統(tǒng)的每個部分模塊化，添加函數(shù)來設(shè)定模塊的功能屬性，便于維護和故障排查。

附圖說明

圖1本發(fā)明模擬器系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)模塊圖；

圖2本發(fā)明模擬器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸框圖；

圖3飛行駕駛模擬器虛擬座艙示意圖；

圖4駕駛桿數(shù)據(jù)獲取流程圖；

圖5udp通信流程圖；

圖6地平儀顯示界面示意圖；

圖7氣壓高度表顯示界面示意圖；

圖8多功能顯示屏顯示界面示意圖；

圖9mfd中hvr界面示意圖；

圖10mfd中tst界面示意圖；

附圖中：1-虛擬座艙子系統(tǒng)；2-檢測訓(xùn)練子系統(tǒng)；3-電傳控制子系統(tǒng)；4-左艙操縱控制面板；5-中艙儀表面板；6-右艙操縱控制面板；7-檢測訓(xùn)練虛擬面板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

參見圖1-3，本發(fā)明飛行駕駛模擬器系統(tǒng)由虛擬座艙子系統(tǒng)1、檢測訓(xùn)練子系統(tǒng)2以及電傳控制子系統(tǒng)3組成。虛擬座艙子系統(tǒng)1包括圍繞在駕駛座椅四周的左艙操縱控制面板4、中艙儀表面板5以及右艙操縱控制面板6；左艙操縱控制面板4上搭載電傳控制子系統(tǒng)3，電傳控制子系統(tǒng)3包括操縱桿以及多種虛擬傳感器，虛擬傳感器包括轉(zhuǎn)臺、雙軸傳感器、動靜壓給定器以及電傳計算機等。右艙操縱控制面板6上搭載檢測訓(xùn)練子系統(tǒng)2，中艙儀表面板5向左艙操縱控制面板4和右艙操縱控制面板6發(fā)送指令并進行顯示。左艙操縱控制面板4、中艙儀表面板5以及右艙操縱控制面板6分別連接主機，主機之間通過局域網(wǎng)連接。

本發(fā)明觸摸屏能讓飛行學(xué)員通過觸摸的方式和系統(tǒng)進行交互，代替了鼠標(biāo)，直接通過手指按壓界面上的虛擬開關(guān)和旋鈕，反饋更加真實。為獲取飛機操作桿信息，具體操作過程為：

參見圖4，directinput提供api函數(shù)，為獲取飛機操縱桿的數(shù)據(jù)信息，使用initdirectinput函數(shù)完成駕駛桿信息初始化工作，使用createdevice函數(shù)創(chuàng)建設(shè)備，設(shè)計數(shù)據(jù)格式，設(shè)置并獲取設(shè)備屬性，調(diào)用acquire函數(shù)獲得設(shè)備，updateinputstate函數(shù)獲取數(shù)據(jù)信息，freedirectinput函數(shù)放在程序最后，用來釋放所有directinput對象占用的系統(tǒng)資源。

中艙仿真主機接收到駕駛桿信息，通過glstudio下角度偏轉(zhuǎn)函數(shù)來實現(xiàn)飛機模型中方向舵控制、平尾俯仰狀態(tài)控制，調(diào)節(jié)左右前后緣襟翼的傾斜角度(glstudio平臺下有控制圖片旋轉(zhuǎn)的函數(shù))。檢測模擬裝置接收到駕駛桿信息后進行相關(guān)操作卡的判斷和執(zhí)行。

使用glstudio設(shè)計圖形界面，對各個控件編寫行為代碼，實現(xiàn)其基本功能，實現(xiàn)其基本功能，行為代碼中需要每個功能模塊或者控件抽象出來，形成各個功能模塊類，這樣就能夠保證系統(tǒng)功能的可擴展性和代碼的可復(fù)用性。明確每一塊虛擬座艙的按鈕、旋鈕等輸入部件和模塊內(nèi)外部的輸出部件之間的控制邏輯，比如定義座艙左側(cè)第三個面板中某個開關(guān)的值為l3_swith_1，這個是個bool型變量，它的值為true，被自己座艙內(nèi)的告警燈調(diào)用，告警燈檢測到它的值為true，所以執(zhí)行燈閃亮的程序邏輯，同時它把自己的狀態(tài)輸出到主控程序中去，其他模塊比如說中艙mfd顯示模塊知道變量值為true，就顯示出開關(guān)狀態(tài)位為打開狀態(tài)。

設(shè)計控制面板的詳細過程如下：

1、參照真實座艙圖片，確定虛擬座艙的各面板及各模塊的內(nèi)容、相對位置和比例大小，完成虛擬座艙圖形建模。利用3dmax軟件按照真實座艙中控制面板中的圖片，繪制三維圖形。

2、設(shè)計圖形界面，利用picpick等截圖軟件，截取出所需要的圖片紋理。在glstudio中用制作好的紋理素材建立控制面板模型。

3、為各個控件設(shè)置屬性，并編寫行為代碼，實現(xiàn)其基本功能。

4、座艙中的每一塊面板的界面設(shè)計和功能實現(xiàn)完成后，將其生成為一個個獨立的動態(tài)鏈接庫文件(dll)。因為每塊面板上的元件數(shù)量都很多，在glstudio中依次創(chuàng)建后會造成層次不清，不利于維護。因此采用dll設(shè)計方法，將虛擬座艙的各個面板模塊化、獨立化。先逐個設(shè)計面板模型，在glstudio定義與外界數(shù)據(jù)交換的接口函數(shù)，編寫行為代碼，并將其編譯成dll，再用組件調(diào)用的形式，將其嵌入到主面板上完成仿真。在模擬器后期聯(lián)合調(diào)試和完善的過程中，如需對某個面板的功能進行修改和補充，只需要修改該虛擬面板的程序代碼，編譯生成新的dll，用新的dll替換原有的dll即可，不會干涉其他面板功能的正常進行。

4、為了方便起見，利用每個面板的功能信息和位置信息為它們的dll命名，如ruone代表右艙上側(cè)的第一塊面板，ldtwo代表座艙下冊的第二塊面板，等等。將完成設(shè)計的幾個dll文件全部加載到最后的整體文件中。具體的dll加載方式如下：

glstudio中對dll的加載方式非常簡便，不需要了解底層的加載方式，即可對dll直接進行操作。在工具欄點擊“(insertacomponent)”按鍵，選中需要加載的dll，即可將該虛擬裝置插入到glstudio編輯器中。調(diào)整各個面板的大小，把它們放到合適的位置。點擊生成代碼，編輯運行該文件。在生成的exe文件中，所有面板的功能都能夠執(zhí)行。在該文件中，每個面板都是一個獨立運行的整體，無論哪一部分出現(xiàn)了問題，都能夠單獨對它進行修改完善，而不會影響其他部分的正常運行。

6、添加函數(shù)來實現(xiàn)各個dll之間的參數(shù)傳遞，因為面板上的元件需要有交互響應(yīng)，比如ruone.dll中的開關(guān)會控制ruthree.dll上等的亮暗等。因此加載各個面板的dll后，需要添加函數(shù)來實現(xiàn)各個dll之間的參數(shù)傳遞。接下來的工作就是在(中控)calculate()中對虛擬面板的接口進行讀寫操作，即傳遞控制參數(shù)。

a.在glstudio中，resource()函數(shù)可以讀寫dll的屬性，這也是在創(chuàng)建各個dll的時候?qū)⑺休斎胼敵鼋涌诙x為屬性的原因；

b.ruone->resource(“hangdianxitong”)>>g1；//將右艙上側(cè)第一塊面板上的“航電系統(tǒng)開關(guān)”的值讀出來，賦值給變量g1；

c.rutwo->resource(“canshuxianshi”)<<a1；//將變量a1的值傳遞給右艙上側(cè)第二塊面板上的“參數(shù)顯示”元件。

7、為元件之間的控制與響應(yīng)編寫邏輯關(guān)系代碼。如航電系統(tǒng)開關(guān)g1的值為1時，紅燈亮，利用mode屬性中紅燈圖片和白燈圖片的顯示與隱藏來實現(xiàn)該功能。

8、保存設(shè)計并生成代碼，在vc++窗口中編譯并執(zhí)行工程。

以下是一些具體案例的實現(xiàn)，包括地平儀、氣壓高度表，以及多功能顯示器的功能實現(xiàn)。

地平儀是用來測量和顯示飛機俯仰和傾斜姿態(tài)的陀螺儀表，如圖6所示。根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，利用dynamicrotate(value,z_axis)函數(shù)實現(xiàn)地平儀轉(zhuǎn)動。

氣壓高度表實際上是一種氣壓計，它通過測量航空器所在高度的大氣壓力，間接測出飛行高度，如圖7所示。在該圖中指針以及方框中的示數(shù)都是動態(tài)的，不斷地在發(fā)生變化。

旋轉(zhuǎn)左側(cè)的按鈕，利用value(28.6f+(selfvalue()/100.0f)*2.4f)函數(shù)使氣壓示數(shù)發(fā)生變化，高度值的獲取利用value((rampfloat(time*0.07,0.0f,12000.0f))來實現(xiàn)。

多功能顯示屏主要由一些周邊鍵以及顯示屏組成，如圖8所示。通過按壓不同的周邊鍵來查看不同的子畫面，子畫面主要是顯示飛機燈光告警系統(tǒng)、座艙照明系統(tǒng)、飛機參數(shù)以及電傳子系統(tǒng)故障等信息。多功能顯示器需要顯示十幾個頁面，因此在mfd界面中設(shè)置屬性std::stringmode(“”)。利用visibility(false)函數(shù)將各個頁面初始化隱藏，按壓相應(yīng)的周邊鍵，只能顯示對應(yīng)的頁面，利用visibility(true)函數(shù)將該畫面顯示出來。設(shè)置方法displaylocaltime(void)，利用localtime(&localtime)獲取時間并將其顯示在界面上。

hrv界面通過代碼location(targetfield->location()+value)實現(xiàn)crosshair位置的改變。

tst界面設(shè)置方法testpassed(inttestnumber,boolpassed)，通過switch(testnumber)語句來實現(xiàn)文本框的顯示。利用glscolorgreen(0,255,0,255)，glscolorred(255,0,0,255)來實現(xiàn)綠色(pass)和紅色(fail)的變化。綜合告警燈盒的實現(xiàn)原理與多功能顯示器類似，也是利用圖片的隱藏和顯示來實現(xiàn)燈顏色的變化，不再贅述。

虛擬座艙整體的通信實現(xiàn)采用udp/ip的方式(不同主機之間)，可以實現(xiàn)模塊之間的異地分布，提高系統(tǒng)針對特殊環(huán)境的可用性位于三臺仿真計算機上的左艙、中艙、右艙，右艙需要實現(xiàn)交聯(lián)功能，使三部分座艙能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳送，并且中艙部分需要對接收到的左艙和右艙的數(shù)據(jù)進行判斷，然后執(zhí)行一定的顯示，因此實現(xiàn)三者之間的通信是最主要的前提。網(wǎng)絡(luò)通信的選擇需要考慮實時性、可靠和擴展。實時性要求數(shù)據(jù)能夠快速的進行傳輸。數(shù)據(jù)可靠性是由軟件和硬件來保證的，軟件上可以通過選擇網(wǎng)絡(luò)通訊的多種協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。硬件上，局域網(wǎng)以提供更循環(huán)冗余校驗。在可擴展性方面，網(wǎng)絡(luò)通訊方式比采用串口更容易進行系統(tǒng)的擴展。本設(shè)計基于局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通訊來保證系統(tǒng)的實時性和可靠。因為考慮到要不斷的傳遞數(shù)據(jù)，而且中艙的界面也需要實時的刷新，為了保證數(shù)據(jù)能現(xiàn)快速收發(fā)，虛擬座艙的三臺仿真機之間利用udp/ip的協(xié)議交換數(shù)據(jù)。udp具有tcp所不具備的速度優(yōu)勢，極大地降低了執(zhí)行時間，使速度得到了保證。應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)采用客戶機、服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，即代碼實現(xiàn)采用server/client的通信形式，其中中艙仿真機作為server端，左右艙主仿真計算機作為client端。建立通信連接后，進行雙向的數(shù)據(jù)流通信，來實現(xiàn)三者之間的數(shù)據(jù)交換。套接字被稱為程序和網(wǎng)絡(luò)之間的api(applicationprogramminginterface，應(yīng)用程序編輯接口)。使用套接字(socket)編寫的通訊程序，可以較好的實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡(luò)進程之間的數(shù)據(jù)交互。在本文的網(wǎng)絡(luò)通訊中，使用的主要是windows提供的套接字接口。winsock是windows下網(wǎng)絡(luò)編程的標(biāo)準接口，是真正的協(xié)議無關(guān)的接口，借助于winsock可以較好地實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)通信?，F(xiàn)在開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序都使用winsock2版本，需要將程序中包含頭文件winsock2.h，它包含了絕大部分socket函數(shù)和相關(guān)結(jié)構(gòu)類型的聲明和定義，同時要添加ws2_32.lib庫的鏈接。使用winsock編程步驟是比較固定的，如圖5所示。

綜上所述，本發(fā)明場景效果逼真，功能模塊相互之間不沖突，可以各自維護，不互相干擾，代碼可復(fù)用性好，實現(xiàn)了模塊之間的通信，能夠完成涉及多控件的復(fù)雜流程動作。