单位文秘网 2022-02-19 08:08:50 点击: 次
摘要本文提出了一种基于CAN总线的飞行模拟器座舱系统的设计方案,分析了某型飞机飞行模拟器座舱系统的功能和总体结构,将模拟器座舱内的信号根据种类和分布位置,分成多个总线节点,并给出了节点的硬件和软件设计方法。实践证明,基于CAN总线的飞行模拟器座舱系统具有可靠性高、实用性强、扩展灵活、开发周期短及性价比高等特点。
关键词CAN总线;飞行模拟器;座舱系统;仿真控制
中图分类号 V241 文献标识码A
The design of cabin system based on CAN-bus for Flight Simulator
WANG Shu-yunGU Shu-shanTIAN Jie-rongLIN Ya-jun
(Department of Simulating, Navy Flying Academy, Huludao 125001, China)
【Abstract 】 In this paper, the composition of Flight Simulator was explained. According to the complexity of a certain aircraft cabin simulation and controlling, the design project of cabin system based on CAN-bus for Flight Simulator was proposed. Then the functionality and overall structure of cabin system for Flight Simulator were described. The design divided the simulation cabin signals into many CAN-bus nodes by kinds and positional distributions. The design method of hardware and software was described. The practice indicates that the cabin system based on CAN-bus for Flight Simulator has strong reliability, practicability, extensibility, reduction in development time and high ratio of performance to price etc.
【Key words】CAN bus; Flight Simulator; Cabin system; Simulation and controlling
0 引言
随着飞行仿真技术的发展,现代飞行模拟训练的独特功能和巨大效益使其成为逐渐实现质量、素质建军的一种重要手段和武器装备研制的重要内容。飞机飞行训练模拟器主要由座舱系统、振动抖动系统、视景系统、仿真解算系统、评分数据库管理系统、音响系统、教员控制台系统和网络通信接口系统组成。座舱系统作为飞行模拟器的重要组成部分,由于它所采集的信号种类繁多、数量庞大,同时控制对象又比较复杂、并且各个对象、信号是并行、独立地工作,因此如果采用传统的集散式数据管理方式,就需要专门的数据采集卡和运动控制接口卡,采用多条并行信号线,布线繁琐,整套系统就会显得臃肿,设备维修、维护也相当困难,严重影响飞行模拟器的可靠性、稳定性和可扩展性等重要指标。本文所讨论的某型飞机飞行训练模拟器座舱系统采用CAN总线控制技术代替传统的集散式控制系统,实践证明:基于CAN总线系统设计具有结构简单、可靠性高、功能强大、扩展性好的突出优点。
1引言
CAN总线是德国BOSCH公司80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1.25Mbps,波特率低于5Kbps时通信距离可长达10Km。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持[1]。
在目前常用的工业现场总线中,CAN总线是最早具有国际标准的现场总线。同时在所有现场总线中,CAN总线具有实时性好、抗干扰性和可靠性高、机制灵活和易于扩充等优点。另外,由于CAN总线特有的非破坏性的总线竞争仲裁方式,使其具有比其它总线更明显的优势[2]。
2座舱系统的模拟与设计
本文所讨论的某型飞机飞行模拟器座舱系统采用与飞机实际座舱尺寸1∶1的比例进行仿真,其设计内容主要包括以下几个方面:操纵系统、操纵负荷系统、指示系统和仪表系统。各系统的功能分别集中于一个CAN总线的控制节点上来实现,上位机是一台工业控制计算机,主要负责对各节点的控制和飞行动力学方程的解算,从而形成一个完整的控制网络[3]。系统结构框图如图1所示。
操纵系统
该型飞机操纵系统的操纵设备主要有驾驶杆、脚蹬(方向舵)、油门、刹车、变距、鱼鳞片、升降舵调整片、冷气瓶旋钮、高度预选器旋钮和相关开关、电门等。飞行员通过操纵系统可实现对飞机的操纵控制,操纵系统主要完成对模拟器内部各信号的采集工作,同时转换为计算机可识别的信号,发送到上位机。该型飞机操纵系统的操纵设备主要有驾驶杆、脚蹬(方向舵)、油门、刹车、变距、鱼鳞片、升降舵调整片、冷气瓶旋钮、高度预选器旋钮和相关开关、电门等。飞行员通过操纵系统可实现对飞机的操纵控制,操纵系统主要完成对模拟器内部各信号的采集工作,同时转换为计算机可识别的信号,发送到上位机。
根据所采集信号的类别,操纵设备又可分为模拟量操纵设备和开关量操纵设备。操纵系统设计实现是:驾驶杆俯仰、倾斜、方向舵、油门、刹车、变距选用直滑电位器;冷气瓶旋钮、应急放起落架旋钮、鱼鳞片、升降舵调整片、选用旋转电位器;高度预选器旋钮、地平仪俯仰零位选用微型电位器。飞行员的模拟操纵量(行程或转角),通过机械传动装置转换成电位器电刷行程,在经电位器电刷将电压值送到A/D模块进行模/数转换。开关量设备通过I/O模块对座舱内各各电门位置和按钮状态采样。传感器电源采用稳压电源单独供电,传输线采用屏蔽线。根据所采集信号的类别,操纵设备又可分为模拟量操纵设备和开关量操纵设备。操纵系统设计实现是:驾驶杆俯仰、倾斜、方向舵、油门、刹车、变距选用直滑电位器;冷气瓶旋钮、应急放起落架旋钮、鱼鳞片、升降舵调整片、选用旋转电位器;高度预选器旋钮、地平仪俯仰零位选用微型电位器。飞行员的模拟操纵量(行程或转角),通过机械传动装置转换成电位器电刷行程,在经电位器电刷将电压值送到A/D模块进行模/数转换。开关量设备通过I/O模块对座舱内各各电门位置和按钮状态采样。传感器电源采用稳压电源单独供电,传输线采用屏蔽线。
上位机通过飞行动力学方程及相关的数学模型解算形成各种控制信号,控制其它系统工作,完成飞行模拟仿真过程。
仪表系统
仪表系统为飞行员提供飞机的航向、姿态、速度及发动机工作状态等信息。其核心部件为多个基于CAN总线的步进电机控制器(仪表控制器),通过控制步进电机带动指针转动来模拟飞机实装仪表的指示。
本文所设计的仪表控制器最大工作频率为25KHz,每次可输入最大步长为32000步。为了实现表针上电、复位及掉电时的自动归零,我们外接了接近开关作为位置传感器。本控制器通过接收上位机的指令,实现对仪表指针转动方向、频率和角度的控制。
操纵负载系统
操纵负荷系统为飞行员提供逼真的操纵感觉。本文所研究的操纵负荷系统主要是指杆力模拟系统,为飞行员提供驾驶杆纵向和横向的操纵感觉,其核心部件为一个基于CAN总线的力矩电机控制器,可实现力梯度系数、阻尼系数和杆中立位置三个参数的控制。
指示系统
指示系统是由开关量输出控制模块和座舱仪表板上的一些指示灯、警告信号灯、数码管等设备组成,这部分设备的控制信号经上位机逻辑解算后得出,然后由单片机控制,其中数码管显示采用静态显示,指示灯和警告信号灯控制根据电压及电流特性进行驱动。
3关键技术
仪表控制器的硬件设计
座舱系统的硬件设计主要是指模拟信号采集模块、开关信号采集模块、开关信号输出模块、力矩电机控制器和仪表控制器等CAN总线节点的硬件设计。本文仅以仪表控制器为例介绍CAN总线节点的硬件设计方法。
仪表控制器的硬件部分主要是指节点微处理器与CAN总线通信控制器之间的接口电路、CAN总线通信控制器与收发器之间的接口电路[4]以及微处理器与步进电机驱动器之间的接口电路设计。仪表控制器与总线连接框图以及仪表控制器结构电路图分别如图2和图3所示。
本文所设计的仪表控制器所采用的通信控制器为SJA1000,主要完成CAN的通讯协议,实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等;总线收发器为PCA82C250,实现CAN控制器和通讯线路的物理连接,提高CAN总线的驱动能力和可靠性;微处理器为80C51单片机。SJA1000不直接与总线连接,是因为SJA1000的总线驱动能力有限,中间需经CAN收发器和总线连接。
采用SJA1000作为CAN通信控制器,有以下特点:SJA1000是独立CAN通信控制器,它是PHILIPS公司的PCA82C200CAN控制器的替代产品,SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN二种工作方式,PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。此外,SJA1000可连接各种微控制器接口,并具有总线访问优先权控制、强有力的错误处理能力、无损结构的逐位仲裁等特性。[5]
仪表控制器软件设计
仪表控制器的软件设计主要包括主程序(系统初始化、任务调度等)、SJA1000初始化子程序、数据发送子程序和数据接收子程序[6]、步进电机控制子程序。主程序流程图如图4所示。
SJA1000的初始化只有在复位模式下才可以进行。主要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器(AMR)和接收代码寄存器(ACR)的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器(IER)的设置等。在完成SJA1000的初始化设置以后,SJA1000回到工作状态进行正常的通信任务。数据接收子程序负责节点报文的接收及处理总线脱离、错误报警、接收溢出等情况,SJA1000报文的接收采取中断控制方式。
操纵负荷系统设计
操纵负荷系统中脚蹬力矩由于在空中随速度、高度等的变化不明显,因而采用弹簧来模拟。所以,飞行员的操纵负荷感觉主要取决于操纵驾驶杆的感觉,操纵负荷系统也就变为驾驶杆力模拟系统。
驾驶杆操纵负荷模拟系统为飞行员提供驾驶杆纵向/横向操纵操纵感觉。杆力模拟系统采用力矩电机输出,通过控制器和相应的测距、限位、传动机构使作用在驾驶杆上的操纵力与飞机当前的速度、高度及飞行姿态相匹配,从而使飞行员获得飞行过程中相应的驾驶杆操纵感觉。
力矩电机的控制原理是通过CAN总线接口输出三个控制参数,一是力梯度系数,二是阻尼系数,三是调整片位置。前两个参数经过控制器输出后控制力矩电机输出力矩大小,第三个参数通过设置调整片位置来控制调整驾驶杆中立位置。在该控制器下工作的力矩电机完全能够模拟驾驶杆操纵负荷感觉。系统控制原理如图5所示。
杆力梯度主要来源于升降舵上的气动力,升降舵上的力矩与升降舵上的轴位置、升降舵面积、动压及舵偏角有关。力矩的变化主要是受到动压及舵偏角的影响,所以影响杆力的因素主要是动压及舵偏角,可用下式表示力的大小:
(1)
其中k1为杆力调整系数,q为动压, 为舵偏角量。
升降舵调整片的主要目的是为了配平杆力。在杆中立点处杆力为零,通过调整片来调整杆中立点的位置可在不改变杆位移的条件下使杆力配平为零,所以杆力梯度总表达式为:
(2)
其k2舵偏角调整系数, 为调整片偏转量。
杆的阻尼主要来自三个方面,机械间固有的摩擦,机械固件的惯性,以及升降舵上下偏转时的气动摩擦。那么阻尼表达式为:
(3)
其中 为机械间的摩擦力,k3、k4分别为惯性量及气动摩擦调整系数,t为时间量, 为飞机的速度。
将杆力梯度和阻尼的值送给力矩电机控制器,就可以控制杆力的大小。在调整时,通过调节杆力梯度和阻尼系数来适应飞行员的操纵感觉。
4结束语
采用CAN总线技术实现飞行模拟器座舱系统,可大大简化飞行模拟器的研制工艺,也提高了系统的可靠性。同时,通过调整软件就可以适应不同机型飞行模拟器的研制需求,因而具有广泛的推广价值。应用实践证明,该系统通信可靠、性能稳定,仿真程度高,完全适合飞行训练的需要。
参考文献[参考资料]
[1]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计(M).北京航空航天大学出版社,1996.
[2]李小京.CAN总线在高精度超低功耗仪表中的应用(J).化工自动化及仪表.2001,28(3):58~60.
[3]陈育良.基于CAN总线电源控制系统设计(J).海军航空工程学院学报.2006,21(1):137~138.
[4]周凤余.基于SJA1000的CAN总线接口电路的设计与实现(J).微计算机信息,1999,(6):25~27.
[5]肖朝辉.基于CAN总线的车载智能仪表设计(J).自动化与仪表.2005,(3):31~33.
[6]邹继军.基于SJA1000的CAN总线系统智能节点设计(J).单片机与嵌入式系统应用. 2001,(12): 26~31.
作者简介: 王述运(1972-),男,工学硕士,高级工程师,主要研究领域为飞行器仿真; 谷树山(1971-),男,工学学士,工程师,主要研究领域为仪表测控与仿真; 田杰荣(1981-),男,工学学士,讲师,主要研究领域为计算机控制与仿真;林亚军(1970-),男,工学博士,副教授,主要研究领域为计算机控制.
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