民機自動飛行控制虛擬仿真實驗設計與實現

鐘倫瓏 石慶研 張 鵬 張 旗

(1. 中國民航大學 電子信息與自動化學院, 天津 300300)

(2. 中國民航大學 工程技術訓練中心, 天津 300300)

(3. 中國民航大學 教師教學發展中心, 天津 300300)

得益于計算機技術、自動控制技術和導航技術的應用,除了起飛階段需要人工控制外,現代民機可以實現全階段自動飛行控制[1]。所謂自動飛行控制是指根據飛行任務生成控制指令,控制飛機的爬升、巡航、下降、進場著陸等飛行階段[2],自動飛行工作模式多、工作過程復雜、運動抽象、參變量多,真實復現整個飛行控制過程復雜、成本高昂。因此,民機自動飛行控制難以開展基于實體的飛行實驗教學。但是,飛行實驗教學對機務維修工程專業學生理解飛行控制原理、設計飛行控制律非常有幫助。

現代信息技術在實驗教學上應用,催生了在線虛擬仿真,學生可以不受時空限制地開展線上實驗,實現“停課不停教、停課不停學”的目的,并能節約實驗成本等[3]。國內部分高校開發了一些針對民航工程技術教育的虛擬仿真實驗。如,針對飛行技術專業,在數學軟件Matlab中建立飛機的動力學模型,與飛行模擬軟件進行數據交互,開發了三維可視化的飛行仿真實驗[4]。面向機務維修專業,在數學軟件Matlab中建立飛機系統模型,虛擬儀器軟件Labview中開發飛行指示儀表板,使用C#搭建用戶界面,開發了與飛機結構和系統相關的虛擬仿真實驗[5]?；谔摂M現實、信息處理等技術,以塔臺視景仿真為中心,開發了空管虛擬仿真實驗教學平臺[6]。但是,大部分針對民航工程技術教育的虛擬仿真實驗基于現成商用軟件構建實驗環境,不具備線上實驗功能。

本文針對機務維修工程專業的學習要求,依托中國民航大學開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺,以空間運動認知、手動飛行控制、自動飛行控制和自動飛行模式設計為四大模塊,開發一種基于瀏覽器-服務器(B-S)結構的交互式民機自動飛行控制虛擬仿真實驗教學平臺,為電子信息工程學生提供在線認知自動飛行控制系統、分析飛行原理、進行飛行模式和控制律設計的實驗教學平臺。

1 虛擬仿真實驗教學平臺設計

1.1 平臺總體架構

民機自動飛行控制虛擬仿真實驗教學平臺設計從機務維修工程實踐教學需求出發,通過構建高仿真度的虛擬實驗環境和實驗對象,學生在虛擬環境中開展實驗,達到教學大綱所要求的教學效果。平臺的前端系統主要功能如圖1所示,除了在平臺的后端系統進行實驗的全流程記錄外,平臺圍繞民機自動飛行功能的實現,構建了空間運動認知、手動飛行控制、自動飛行控制律設計和自動飛行模式設計等四個實驗教學模塊。通過三維建模、繪制及渲染、紋理處理等技術,搭建逼真的飛機飛行場景。在飛機飛行動力學模型基礎上,模擬飛行參數驅動仿真飛機模型,可精確體現各飛行階段控制效果,提高在虛擬環境中對飛行控制效果的真實感。

在平臺進行仿真實驗,達到以下教學目標:了解飛行控制系統(包括操縱舵面、飛行操縱機構、駕駛艙飛行控制組件)、常用坐標系、飛行運動參數等知識;熟練掌握飛行控制原理與自動飛行控制律的作用,了解自動飛行控制回路的構成,能夠完成姿態和軌跡控制律的設計;熟悉掌握自動飛行模式在飛行過程中的作用,能夠完成自動飛行模式的切換邏輯。

1.2 平臺對理論教學的支撐

空間運動認知實驗模塊增強學生對運動坐標系、飛行運動參數、飛機操縱面等基礎知識的認知,其他三個模塊包括13個基礎實驗,而課堂理論教學主要包括空間運動表示、姿態控制、軌跡控制和系統實例等部分,基于平臺的實驗教學與課堂理論教學之間的關聯關系如圖2所示。實驗教學可完全支撐課堂理論教學,促進了學生對課堂所學知識的理解、掌握和拓展應用。

2 虛擬仿真實驗教學平臺原理

2.1 空間運動認知實驗模塊設計

民機空間運動基于坐標系和運動參數來描述,通過偏轉操縱面和改變油門桿來實現運動控制。

坐標系主要包括地面、機體、速度、航跡四個坐標系的原點、軸向定義、功能等知識描述。坐標系主要用于描述飛機的慣性運動、機體轉動、空氣動力、質心軌跡。

運動參數可視為不同坐標系之間的關系以及坐標系的運動情況,主要包括姿態角、航跡角、氣流角三類8個角度的空間定義、符號描述。

飛行中,民機通過改變操縱面偏轉角度改變力和力矩的分布,從而改變運動參數。操縱面可以分為主操縱面和輔助操縱面,具體為升降舵、方向舵、副翼、襟翼、縫翼、水平安定面、垂直安定面、擾流板等八類操縱面,操縱面偏轉主要涉及操縱面的名稱、功能及偏轉極性描述。

空間運動認知實驗用于培養學生的空間運動認知能力,為自動飛行控制、手動飛行控制、自動飛行模式三類實驗奠定空間運動描述基礎。

2.2 自動飛行控制實驗模塊設計

自動飛行控制是指自動飛行控制系統根據飛行任務生成控制指令,完成自動爬升、三軸姿態保持、巡航、進場著陸等一系列控制的工作過程。不同飛行任務生成的控制指令不同,涉及的控制過程不同。

自動飛行控制系統包括舵回路、姿態回路和軌跡回路三種基本回路,如圖3所示。舵回路是一個伺服回路,用于改善舵機的性能以滿足飛行控制系統的要求,由舵機、放大器和反饋元件組成,通常將舵機的輸出信號反饋到輸入端形成負反饋回路的隨動系統。姿態回路由姿態傳感器、計算裝置和舵回路組成,用于穩定、控制飛機的飛行姿態。姿態回路加上測量飛機軌跡信號的運動學傳感器,以及表征飛機空間幾何位置關系的運動學環節構成的回路稱為軌跡回路,軌跡回路對傳感器(導航設備)感知到的實時軌跡信息與飛行管理輸出的參考飛行軌跡或人工設置的目標點位置進行比較計算,得到相應的偏差,并解算出姿態回路所需的控制信號,從而完成飛機的航跡控制。

圖3 自動飛行控制系統的基本回路

將飛機視為剛體,飛機在空間的運動有六個自由度,即質心的三個移動自由度和繞質心的三個轉動自由度。依照對稱平面的幾何特性將六個自由度分成縱向運動和橫側向運動兩類。

縱向自動飛行控制是指由控制系統對飛機縱向運動進行的自動控制,包括自動俯仰角控制、自動高度保持控制,控制結構如圖4所示。飛機作為被控對象,其縱向運動的數學模型如式(1)、式(2)所描述的狀態方程。按照該模型,飛機的輸入是升降舵和油門桿偏角,而輸出就是飛機的縱向運動量,即俯仰角和角速度、迎角、飛行速度以及高度。因此,對于飛機的縱向自動飛行控制,通過反饋縱向運動變量,并經控制律計算、控制分配,最終形成對升降舵和油門桿的指令偏角,進而實現對飛機縱向運動的自動控制。

圖4 飛機縱向自動飛行控制的基本結構

(1)

Δγ=Δθ-Δα

(2)

式(1)、式(2)中,ΔV為速度增量,Δα為迎角增量,Δq為俯仰角速度增量,Δθ為俯仰角增量,Δγ為航跡傾斜角增量,ΔδT為推力設置增量,Δδe為升降舵偏角增量,X*為相應的縱向力系數,Z*為相應的法向力系數,M*為相應的俯仰力矩系數,各參數具體含義請參閱文獻[7]。

橫側向自動飛行控制是指由控制系統對飛機橫側向運動進行的自動控制,包括自動側向角控制、自動側向偏離控制,控制結構如圖5所示。橫側向運動的數學模型如式(3)所描述的狀態方程。按照該模型,滾轉角控制和側滑角控制為控制結構核心,航向控制作為滾轉角控制的外回路,而水平軌跡控制又以航向控制作為內回路。飛機的輸入是副翼和方向舵舵偏角,輸出就是飛機的橫側向運動量,即滾轉角和角速度、航向角、側滑角以及偏航距、偏航速度。類似地,對于飛機橫側向自動飛行控制,通過反饋橫側運動變量,并經控制律計算、控制分配,最終形成對副翼和方向舵的舵偏角指令,進而實現對飛機橫側向運動的自動控制。

圖5 飛機橫側向自動飛行控制的基本結構

(3)

式(3)中,Δβ為側滑角增量,Δp為滾轉角增量,Δr為偏航角速度增量,Δφ為傾斜角增量,Δδa為副翼舵偏角增量,Δδr為方向舵偏角增量,Y*為相應的側向力系數,L*為相應的滾轉力矩系數,N*為相應的偏航力矩系數,g為重力加速度,V0為基準飛行速度,各參數具體含義請參閱文獻[7]。

2.3 手動飛行控制實驗模塊設計

手動控制是指飛機在自動飛行模式下,不退出原飛行模式的情況下,飛行員由飛行控制組件輸入航向指令、高度指令輸入量疊加于當前機上相應指令,改變飛機飛行狀態的工作模式。即“自動飛行控制基礎上的人工疊加控制”,包括手動航向控制和手動高度控制兩類?？刂平Y構如圖6所示。

圖6 飛機手動飛行控制的基本結構

接通“航向控制”電門,手動航向控制通過控制指令“向左”“向右”“直飛”改變飛機的飛行航向,實現對飛機航向的手動控制。

接通“高度控制”電門,手動高度控制通過控制指令“爬升”“平飛”“下滑”改變飛機的飛行高度,實現對飛機高度的手動控制。

2.4 “自動飛行模式”模塊設計

民機為保障復雜飛行環境下的飛行控制效果,結合各飛行階段特點,簡化飛行控制復雜度,按照縱向和橫側向設置了不同的自動飛行模式,同時建立了基于飛行狀態判斷的模式銜接、斷開、轉換規則。

縱向自動飛行模式:保持飛機在設定氣壓高度的高度保持方式;按設定升降速率改變飛行高度的垂直速度方式;以垂直速度方式截獲到設定高度時的高度截獲方式;垂直剖面由飛行管理計算機自動控制,按設定飛行計劃自動飛行的垂直導航方式。

橫側向自動飛行模式:改變飛機航向到設定角度的航向選擇方式;保持在選定航向的航向保持方式;切向VOR航道并沿該航道向背臺飛行的VOR方式;水平剖面由飛行管理計算機自動控制,按設定航線自動飛行的水平導航方式。

3 虛擬仿真實驗教學平臺開發

3.1 系統架構

建立虛擬仿真實驗平臺總體方案,分析了各個實驗模塊原理后,采用瀏覽器-服務器(B-S)結構,基于WebGL技術、JAVA語言和Eclipse作為軟件開發平臺,開發民機自動飛行控制虛擬仿真實驗平臺。依托于中國民航大學開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺的支撐,二者通過數據接口無縫對接,保證學生能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該項目,并通過平臺提供的面向用戶的智能指導、自動批改服務功能,盡可能幫助用戶實現自主的實驗,加強實驗項目的開放服務能力,提升開放服務效果。實驗教學平臺整體架構如圖7所示,包括數據層、支撐層、通用服務層、仿真層和應用層等5層,各層起到的作用如下:

圖7 仿真實驗教學平臺整體架構

1)數據層

民機自動飛行控制虛擬仿真實驗教學項目涉及多種類型虛擬實驗組件及數據,這里分別設置虛擬實驗的基礎元件庫、實驗項目庫、典型實驗庫、標準答案庫、規則庫、實驗數據、用戶信息等來實現對相應數據的存放和管理。

2)支撐層

支撐層是虛擬仿真實驗教學與開放共享平臺的核心框架,是實驗項目正常開放運行的基礎,負責整個基礎系統的運行、維護和管理。支撐平臺包括以下幾個功能子系統:安全管理、服務容器、數據管理、資源管理與監控、域管理、域間信息服務等。

3)通用服務層

通用服務層即開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺,提供虛擬實驗教學環境的一些通用支持組件,以便用戶能夠快速在虛擬實驗環境完成虛擬仿真實驗。通用服務包括:實驗教務管理、實驗教學管理、理論知識學習、實驗資源管理、智能指導、互動交流、實驗結果自動批改、實驗報告管理、教學效果評估、項目開放與共等,同時提供相應集成接口工具,以便該平臺能夠方便集成第三方的虛擬實驗軟件進入統一管理。

4)仿真層

仿真層主要針對該項目進行相應的器材建模、實驗場景構建、虛擬儀器開發、提供通用的仿真器,最后為上層提供實驗結果數據的格式化輸出。

5)應用層

基于底層的服務,實現民機自動飛行控制虛擬仿真實驗教學與開放共享。同時,可以利用服務層提供的各種工具和仿真層提供的相應的器材模型,設計各種綜合實驗實例,最后面向學校開展實驗教學應用。

3.2 重要仿真模塊

仿真層是民機自動飛行控制虛擬仿真實驗的核心層,關系到最后呈現的飛行效果可視化效果。圍繞系統和環境仿真模型,飛行控制模塊進行重點設計。

1)系統和環境仿真模型

本實驗項目以典型民航飛機——B737飛機為實驗對象,仿真飛機氣動布局、外形尺寸與真實飛機一致,飛行性能參數接近真實飛機,實現了對實體飛機形態特點、性質特征、運動特征、操縱特征、控制特性、作用特征的仿真再現,如圖8所示。

圖8 飛機模型的仿真度

本實驗項目設置的飛行階段包括地面滑行、起飛爬升、巡航平飛、下降高度、進近著陸等,與實際飛行的主要階段一致。仿真系統描述的飛機操控特性與真實裝備實際操控的方法和結果一致,操控流程、操控人機接口和飛機空中狀態的仿真度,符合真實裝備飛行操控的再現要求,相關的操作設備接口如圖9所示。

圖9 自動飛行控制系統人工操作設備接口三維模型

本實驗項目的環境場景主要實現運行環境、飛行場景、機場跑道的再現,如圖10所示。運行環境針對實際飛行時的常規自然環境設計,飛行場景、機場跑道針對飛行時的常見場景和機場設計,任務場景的情節、過程、態勢和效果的仿真度,符合真實運行環境和飛行場景的再現要求。

2)飛行控制模塊

通過實驗系統主界面的“自動飛行控制”,進入實驗模塊,屏幕左側為主飛行顯示器PFD、導航顯示器ND、飛行控制組件FCU、發動機轉速表,飛機處于待起飛狀態(發動機已開車)。地面場景、空中場景、起飛音效分別模擬真實機場環境、飛行場景、發動機聲音。系統初始化完成,飛機處在預設的姿態,屏幕上方彈出俯仰角控制、側向角控制、高度保持控制、側向偏離控制四個典型控制方式供選擇。設置好控制方式和控制律參數后,飛機運動起來,并在屏幕上動態顯示FCU內容及運動參數數值,如圖11所示。

如圖12所示,在參數顯示界面里,可以設定自動飛行模式、控制目標、控制律參數,選定干擾類型,并對仿真過程進行控制。界面內也顯示運動參數的變化情況。

圖12 民機自動飛行控制虛擬仿真實驗平臺參數界面

4 虛擬仿真實驗教學平臺應用

基于民機自動飛行控制虛擬仿真實驗教學平臺,本著“學生中心、問題導向、工程思維”的實驗教學理念,借助信息化手段,將傳統實驗教學向課前延伸、向課后拓展,開展任務牽引的“三階段”混合式實驗教學。第一階段,實驗前,教師作為設計者,通過發布實驗任務單,促使學生主動學習。教師主要任務是做好在線資源,制作在線試題,與學生討論交流,并提供個性指導,輔助學生對實驗任務有更好的認識。第二階段,教師是引導者,通過對第一階段學生的課前學校效果反饋,講解重點知識,促使學生在實驗中主動探究。第三階段,教師是協助者,協助學生基于教學平臺,開展自主創新活動,針對個體開展個性輔導,并反思實驗效果。

除了空間運動認知、手動飛行控制、自動飛行控制律設計和自動飛行模式設計可包含的實驗之外,借助仿真實驗教學平臺,師生還可開展。

進行舵偏角、姿態、軌跡等飛行參數測試,并可對所測得的舵偏角、姿態、軌跡進行分析與處理,聯系飛行力學對參數變化曲線進行分析解釋。如:①等速平飛的條件下,保持速度不變,變化升降舵偏角,測量迎角、航跡傾斜角、俯仰角等參數的數據,再根據所得數據繪制迎角、航跡傾斜角、俯仰角等參數曲線圖,觀察、比較、分析參數的變化趨勢,分析各參數曲線的特點。②在協調轉彎的條件下,保持速度不變,鎖死升降舵偏角,測量傾斜角、偏航角、高度等參數的數據,根據所得數據繪制傾斜角、偏航角、高度等參數曲線圖,觀察、比較、分析參數的變化趨勢,分析各參數曲線的特點。

5 結語

民機自動飛行控制虛擬仿真實驗教學平臺建設成果已于2021-2022(2)學期在電子信息工程專業(CDIO)進行應用與實踐。經調查,學生反映能感受到虛擬仿真的特點,認為虛擬仿真能實現抽象概念形象化、理論問題工程化、動態過程立體化、變化規律明晰化。例如,2019級電子信息工程專業(CDIO)學生典型反饋意見建議:

(1)虛擬實驗不受時空限制,可以更好開展飛控實驗。

(2)以典型機型飛行控制系統為對象,開展課程實驗,有明確的應用場景,控制效果可視化好,學習熱情和能動性普遍提高。

(3)實驗提供在線資源很好,與實驗過程緊密結合,可及時解決好些迷茫問題,建議進一步豐富資源。