專利名稱：飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種仿真平臺，尤其是一種飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺。
背景技術：
目前電子設備的使用日趨廣泛，在汽車、高速列車、大型船舶以及航空航天飛行器等領域當中，電子系統的復雜程度越來越高。為了保證單個電子設備以至整個電子系統的安全，在電子系統投入使用之前需要對其進行全方位的測試與修正。現有對復雜電子系統的測試平臺，一般需要等到整個系統的電子設備全部到齊或基本到齊才可以進行系統級別的測試，有的電子系統測試甚至要等到實驗樣機完成后才可以進行。現有方法對電子系統的測試效率很低，而且許多樣機難以完成的危險性項目不能夠進行測試，影響對整體電子系統的性能評估，加大電子系統的使用風險。
發明內容
本發明的目的是補充現有技術中存在的不足，提供一種飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，建立了包括機體模型、模擬環境模型、電子設備模型在內的系統激勵模型，仿真平臺針對被測電子設備的信號特性，建立了與之對應信號的信號發生系統和數據采集監控系統，通過集中配線控制模塊能夠選通連接需要激勵的被測電子設備，用戶針對所要測試的具體環節能進行仿真測試。本發明采用的技術方案是一種飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，包括系統激勵模型、模擬視景顯示系統、模擬儀表與開關系統、中央數據處理單元、用戶指令干預系統、信號發生系統、數據采集監控系統、集中配線控制模塊、電源管理系統、外部數據接口 ；中央數據處理單元連接用戶指令干預系統、集中配線控制模塊、信號發生系統、數據采集監控系統、外部數據接口、電源管理系統、系統激勵模型、模擬視景顯示系統和模擬儀表與開關系統；集中配線控制模塊連接外部數據接口、用戶指令干預系統、信號發生系統、數據采集監控系統和電源管理系統；系統激勵模型連接模擬視景顯示系統、模擬儀表與開關系統；所述系統激勵模型包括機體模型、模擬環境模型、電子設備模型、軟件接口 ；機體模型模擬機體的結構，以及模擬飛行控制和條件參數對機體飛行的影響，并將機體模型模擬數據傳遞給電子設備模型；模擬環境模型向機體模型提供模擬的外部環境，即向機體模型提供外部環境的作用條件；電子設備模型中內建了一個或多個被測電子設備的邏輯模型，電子設備模型能夠響應機體模型和模擬環境模型傳遞的數據，同時能夠響應模擬儀表與開關系統的控制信號，產生相應的原始激勵信號，原始激勵信號通過軟件接口發送給中央數據處理單元進行編碼，隨后編碼后的原始激勵信號被發送到信號發生系統，信號發生系統產生被測電子設備能夠識別的實際激勵信號，并通過集中配線控制模塊傳給實際的被測電子設備；所述模擬視景顯示系統為用戶提供可視化環境，能夠給用戶提供逼真的視覺效果;所述模擬儀表與開關系統為測試提供可視化的操作界面，能夠向系統激勵模型提供控制信號，也能夠與中央數據處理單元進行數據交互；所述數據采集監控系統對被測電子系統的總線上的數據進行采集，然后反饋給模擬儀表與開關系統，使得模擬儀表與開關系統能夠監視被測電子設備的工作狀態；所述信號發生系統根據被測電子設備所需要的信號特性，依據編碼后的原始激勵信號，產生被測電子設備能夠識別的實際激勵信號；所述集中配線控制模塊用于管理飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺與被測電子系統的配線，通過集中配線控制模塊能夠選通連接需要激勵的被測電子設備；所述中央數據處理單元是具有數據處理功能和圖像處理功能的計算機硬件，它用于協調各子系統直接數據交互，向各子系統分配數據接口，存儲和管理各子系統產生的數據；所述電源管理系統對被測電子系統中各被測電子設備進行供電的遠程控制管理，能夠模擬設備掉電或者供電不足的危險情況，為被測電子系統提供設備掉電測試環境，從而能夠觀察被測電子系統在單個或多個被測電子設備掉電的情況下的工作情況；所述外部數據接口向第三方測試設備提供軟硬件接口 ；所述用戶指令干預系統供用戶通過軟件指令對飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺進行控制，用戶通過軟件指令以手動模式能夠產生系統激勵模型不能產生的原始激勵信號。進一步地，所述機體模型包括飛行器外形結構模型、發動機模型和飛行模擬模型。進一步地，所述飛行器外形結構模型的內容包括機體長度、翼展尺寸、控制舵面位置、機體受力面積、機體重量。進一步地，所述發動機模型的內容包括發動機類型、發動機推力。進一步地，所述飛行模擬模型的內容包括飛行控制律、飛行狀態、預飛條件設置參數。進一步地，所述模擬環境模型包括全球導航及地形地圖模型和大氣環境控制模型。優選地，所述模擬視景系統具有第三方視景軟件接口，能夠通過加載第三方視景軟件方式提供相應的可視化環境。本發明的優勢在于，可以通過建立電子設備模型庫，根據客戶需求快速搭建相應的電子系統模型，能夠在短時間內建立開放架構式的電子系統測試平臺。可以通過模型激勵的方式對一臺或幾臺電子設備進行測試，不用等到整個電子系統或樣機完成之后才可以進行測試實驗。用戶可以模擬危險和復雜測試環境，向被測電子系統進行激勵信號注入，降低單純通過樣機進行實驗的風險和成本。系統可以通過集中配線控制模塊靈活控制測試環節，實現對被測電子系統的全方位測試。本發明不僅可以對電子系統的性能進行測試，還可以對系統的構架進行評估，輔助設計人員進行排故和修正。
圖1為本發明的結構組成示意圖。
具體實施例方式下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明提出的飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，主要用于飛行器的電子系統的測試，如圖1所示—種飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，其特征在于包括系統激勵模型、模擬視景顯示系統、模擬儀表與開關系統、中央數據處理單元、用戶指令干預系統、信號發生系統、數據采集監控系統、集中配線控制模塊、電源管理系統、外部數據接口 ；中央數據處理單元連接用戶指令干預系統、集中配線控制模塊、信號發生系統、數據采集監控系統、外部數據接口、電源管理系統、系統激勵模型、模擬視景顯示系統和模擬儀表與開關系統；集中配線控制模塊連接外部數據接口、用戶指令干預系統、信號發生系統、數據采集監控系統和電源管理系統；系統激勵模型連接模擬視景顯示系統、模擬儀表與開關系統；所述系統激勵模型包括機體模型、模擬環境模型、電子設備模型、軟件接口 ；機體模型模擬機體的結構，以及模擬飛行控制和條件參數對機體飛行的影響，并將機體模型模擬數據傳遞給電子設備模型；模擬環境模型向機體模型提供模擬的外部環境，即向機體模型提供外部環境的作用條件；用戶可以通過模擬環境模型提供的控制界面更改外部環境；電子設備模型中內建了一個或多個被測電子設備的邏輯模型，電子設備模型能夠響應機體模型和模擬環境模型傳遞的數據，同時能夠響應模擬儀表與開關系統的控制信號，產生相應的原始激勵信號，原始激勵信號通過軟件接口發送給中央數據處理單元進行編碼，隨后編碼后的原始激勵信號被發送到信號發生系統，信號發生系統產生被測電子設備能夠識別的實際激勵信號，并通過集中配線控制模塊傳給實際的被測電子設備；所述模擬視景顯示系統為用戶提供可視化環境，能夠給用戶提供逼真的視覺效果(如外部視覺狀況、航線氣象等);所述模擬儀表與開關系統為測試提供可視化的操作界面，能夠向系統激勵模型提供控制信號，也能夠與中央數據處理單元進行數據交互。在真實儀表系統裝配使用之前，模擬儀表與開關系統中的模擬儀表可以向用戶提供近似真實儀表的顯示內容，模擬儀表與開關系統中的模擬控制按鈕和模擬開關可以用于輸入控制信號。模擬儀表也可以用于對真實儀表系統的性能評估。所述數據采集監控系統對被測電子系統的總線上的數據進行采集，然后反饋給模擬儀表與開關系統，使得模擬儀表與開關系統能夠監視被測電子設備的工作狀態；所述信號發生系統根據被測電子設備(也就是被激勵電子設備)所需要的信號特性，依據編碼后的原始激勵信號，產生被測電子設備能夠識別的實際激勵信號；信號發生系統主要通過前期總體電子系統設計方案和選用電子設備輸入輸出信號特性來確定它的接口設計方案。所述集中配線控制模塊用于管理飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺與被測電子系統的配線，通過集中配線控制模塊能夠選通連接需要激勵的被測電子設備；可以通過軟件設置來調整需要進行連接的被測電子設備的范圍，從單個被測電子設備到整個被測電子系統。用戶可以對集中配線控制模塊進行管理，能夠快速準確的定位被測電子設備。
所述中央數據處理單元是具有數據處理功能和圖像處理功能的計算機硬件，它用于協調各子系統直接數據交互，向各子系統分配數據接口，存儲和管理各子系統產生的數據；所述子系統指系統激勵模型、模擬視景顯示系統、模擬儀表與開關系統、用戶指令干預系統、信號發生系統、數據采集監控系統、集中配線控制模塊、電源管理系統、外部數據接口等;所述電源管理系統對被測電子系統中各被測電子設備進行供電的遠程控制管理，能夠模擬設備掉電或者供電不足的危險情況，為被測電子系統提供設備掉電測試環境，從而能夠觀察被測電子系統在單個或多個被測電子設備掉電的情況下的工作情況；所述外部數據接口向第三方測試設備提供軟硬件接口 ；對于本仿真平臺無法進行仿真和監測的特殊信號，通過外部數據接口，就可以引入第三方測試設備完成測試仿真工作。對于滿足接口協議的其它電子設備，也可以接入本仿真平臺進行測試，這樣提高了本仿真平臺的可擴展性，也降低了研發成本和測試風險。所述用戶指令干預系統供用戶通過軟件指令對飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺進行控制，用戶通過軟件指令以手動模式能夠產生系統激勵模型不能產生的原始激勵信號；軟件指令的主要內容包括控制模式選擇指令(手動產生原始激勵信號或者系統激勵模型產生原始激勵信號)、激勵信號的發送與接收指令、數據的保存與加載指令、集中配線控制模塊與被測電子系統總線的連接與斷開指令等。所述機體模型包括飛行器外形結構模型、發動機模型和飛行模擬模型。所述飛行器外形結構模型的內容包括機體長度、翼展尺寸、控制舵面位置、機體受力面積、機體重量。 所述發動機模型的內容包括發動機類型、發動機推力。所述飛行模擬模型的內容包括飛行控制律、飛行狀態、預飛條件設置參數。所述模擬環境模型包括全球導航及地形地圖模型和大氣環境控制模型。優選地，所述模擬視景系統具有第三方視景軟件接口，能夠通過加載第三方視景軟件方式提供相應的可視化環境。本實施例以航空電子系統為例，來說明飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺中一些主要模塊的建立過程和測試飛行器電子系統的簡要過程。航空電子系統，以下簡稱航電系統，是結構和應用環境都較為復雜的一種電子系統，通常需要在飛行器樣機完成之前對航電系統進行全面測試，以及測試一些在飛行器樣機上不能進行的危險項目。一、系統激勵模型(即本例中的航電系統激勵模型)的建立。航電系統激勵模型包括飛行器機體模型，飛行環境模型，航電設備模型，分別對應本文中前述的機體模型、模擬環境模型、電子設備模型。I)飛行器機體模型建立飛行器機體模型主要是通過軟件工具(如CATIA、UG等軟件)建立飛行器外形結構模型、發動機模型、飛行模擬模型。a)飛行器外形結構模型是主要和飛行器機體結構有關的模型，內容包括機體長度、翼展尺寸、控制舵面位置、機體受力面積、機體重量等。b)發動機模型的內容包括發動機類型、發動機推力等。
c)飛行模擬模型主要提供飛行控制律、飛行狀態、預飛條件設置參數等。本發明提供了可配置的飛行模擬模型，這種模型提供了六自由度的開閉環控制方
式，所述六自由度是指飛行器在空中運動，隨質心平動的速度f= 和繞質心轉動角速度蒎=、的六個自由度。用戶可以根據具體設計方案，結合飛行器外形結構模型，對飛
W
行器的飛行控制律進行設定，使之符合樣機設計要求。飛行控制律是指飛行器在飛行過程中，飛行器控制系統中執行機構的輸出量與各控制信號間的函數關系。本飛行模擬模型提供了自由度靈活的飛行狀態，主要用于輸出飛行器飛行過程中的姿態數據。預飛條件設置參數為用戶提供模擬飛行的參數選擇功能，這些參數用于影響飛行器機體模型在模擬飛行過程中的狀態，這些參數主要包括高度，磁航向，真空速，飛行器總
重，燃油量等。飛行模擬模型可以接受發動機模型和飛行器外形結構模型傳遞的控制數據，同時可以接受來自模擬儀表與開關系統的飛行控制量和開關量的控制，如油門控制、襟翼與縫翼控制、起落裝置控制、擾流板控制、俯仰配平控制、剎車控制和發動機開關控制等。飛行模擬模型可以兼容手動飛行和自動飛行兩種模式。2)飛行環境模型飛行環境模型包括全球導航及地形地圖模型和大氣環境控制模型。全球導航及地形地圖模型提供全球導航的數據庫和導航模型，本模型可以模擬在世界上各地區的飛行時的地理數據和導航數據，同時可以模擬飛行器與地面導航臺(如無線電全向信標地面臺，儀表著陸系統，測距機等)進行調諧和通信，并且可以模擬按照外部飛行管理系統提供的飛行計劃進行飛行。本模型提供飛行器機體模型的經緯度坐標和海拔信息。 大氣環境控制模型可以模擬提供風環境控制和環境溫度控制。風環境控制包括風向(水平和垂直)和風速的設定，可以對空氣中紊流進行設定。環境溫度控制包括對海平面溫度進行設置。通過對大氣環境的控制，可以真實模擬不同飛行環境對飛行器性能的影響，提高了測試仿真環境的真實性和有效性。3)航電設備模型根據被測航電設備的功能特性，建立航電設備的邏輯模型(即被測電子設備的邏輯模型)。航電設備的邏輯模型可以模擬實際的被測航電設備的邏輯功能。航電設備模型能夠接收并響應飛行器機體模型和飛行環境模型傳遞的信號，產生相對應的需要激勵的被測航電設備的原始激勵信號。原始激勵信號被發送給中央數據處理單元進行編碼處理。二、模擬儀表與開關系統的建立。a)根據需要的顯示儀表設備的顯示內容和顯示模式，使用軟件建立虛擬的顯示系統，也就是模擬儀表；通過模擬儀表與開關系統的軟件接口，與系統激勵模型建立數據映射，從系統激勵模型中獲取需要顯示的數據，并顯示在模擬儀表上。
b)根據飛行器駕駛艙和航電系統的設計要求，通過軟件建立可視化的模擬控制按鈕和模擬開關，模擬控制按鈕和模擬開關可以用于輸入控制信號；控制信號被發送給系統激勵模型。模擬儀表與開關系統通過內存映射的方式與系統激勵模型進行數據交互。三、信號發生系統的建立。根據被測航電設備的信號協議和信號類型的不同(如RS422、ARINC429、ARINC664、模擬信號、離散信號等)，建立可擴展式的信號發生系統。根據被測電子系統內的被測航電設備的數量、種類以及所需要的信號通道量，建立相應的信號發生模塊。信號發生模塊連接中央數據處理單元，接收從中央數據處理單元傳來的編碼后的原始激勵信號，產生被測航電設備能夠識別的實際激勵信號。四、用戶指令干預系統的建立。根據測試的要求，建立相應的軟件指令，用戶可以通過軟件指令對飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺進行控制。軟件指令的主要內容包括控制模式選擇指令(手動產生原始激勵信號或者系統激勵模型產生原始激勵信號)、激勵信號的發送與接收指令、數據的保存與加載指令、集中配線控制模塊與被測電子系統總線的連接與斷開指令等。當在某些特殊情況下，系統激勵模型不能產生一些特殊的原始激勵信號時，用戶可以通過軟件指令以手動模式去產生那些特殊的原始激勵信號。本飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺建立以后，可以對飛行器樣機機體結構及機體各控制舵面進行仿真，可以對樣機的飛行環境進行仿真，可以對樣機所用電子設備的內部邏輯和數據接口進行仿真，進而產生相應的被測電子設備的實際激勵信號，發送給被測電子設備。隨后可以觀察被測電子設備的工作狀態，或者對被測電子設備功能進行評估。應用本發明的實驗測試過程如下a.配置系統激勵模型以滿足實際的被測電子系統的要求；設置預飛條件，使機體模型工作穩定后的飛行狀態符合測試要求；設置全球導航及地形地圖和大氣環境，提供系統激勵模型的外部環境。b.系統激勵模型進入穩定工作狀態，選擇需要進行測試的被測電子設備(通過集中配線控制模塊來選通)，建立測試回路。系統激勵模型發出原始激勵信號，信號發生系統產生實際激勵信號，對被測電子設備進行激勵，然后數據采集監控系統讀取被測電子設備的反饋信息，反饋給模擬儀表與開關系統。被測電子設備的狀態能夠在模擬儀表上顯示。c.通過模擬儀表與開關系統中的模擬控制按鈕和模擬開關，向系統激勵模型提供控制信號，改變系統激勵模型狀態，重新激勵被測電子設備，監視被測電子設備的工作狀態，或者對被測電子設備功能進行評估。d.當被測電子設備所需要的激勵信號超出了系統激勵模型所能產生的原始激勵信號的范圍，則可以利用用戶指令干預系統，采用手動模式輸入軟件指令，產生原始激勵信號，去激勵被測電子設備，然后監視被測電子設備的工作狀態，或者對被測電子設備功能進行評估。e.通過集中配線控制模塊更換連接的被測電子設備，對其它被測電子設備重復上述步驟b、C、d,完成測試計劃。f.輸出測試數據，對被測電子系統(本例即航電系統)進行修正。
權利要求
1.一種飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，其特征在于包括系統激勵模型、模擬視景顯示系統、模擬儀表與開關系統、中央數據處理單元、用戶指令干預系統、信號發生系統、數據采集監控系統、集中配線控制模塊、電源管理系統、外部數據接口 ； 中央數據處理單元連接用戶指令干預系統、集中配線控制模塊、信號發生系統、數據采集監控系統、外部數據接口、電源管理系統、系統激勵模型、模擬視景顯示系統和模擬儀表與開關系統；集中配線控制模塊連接外部數據接口、用戶指令干預系統、信號發生系統、數據采集監控系統和電源管理系統；系統激勵模型連接模擬視景顯示系統、模擬儀表與開關系統； 所述系統激勵模型包括機體模型、模擬環境模型、電子設備模型、軟件接口 ；機體模型模擬機體的結構，以及模擬飛行控制和條件參數對機體飛行的影響，并將機體模型模擬數據傳遞給電子設備模型；模擬環境模型向機體模型提供模擬的外部環境，即向機體模型提供外部環境的作用條件；電子設備模型中內建了一個或多個被測電子設備的邏輯模型，電子設備模型能夠響應機體模型和模擬環境模型傳遞的數據，同時能夠響應模擬儀表與開關系統的控制信號，產生相應的原始激勵信號，原始激勵信號通過軟件接口發送給中央數據處理單元進行編碼，隨后編碼后的原始激勵信號被發送到信號發生系統，信號發生系統產生被測電子設備能夠識別的實際激勵信號，并通過集中配線控制模塊傳給實際的被測電子設備； 所述模擬視景顯示系統為用戶提供可視化環境，能夠給用戶提供逼真的視覺效果；所述模擬儀表與開關系統為測試提供可視化的操作界面，能夠向系統激勵模型提供控制信號，也能夠與中央數據處理單元進行數據交互； 所述數據采集監控系統對被測電子系統的總線上的數據進行采集，然后反饋給模擬儀表與開關系統，使得模擬儀表與開關系統能夠監視被測電子設備的工作狀態； 所述信號發生系統根據被測電子設備所需要的信號特性，依據編碼后的原始激勵信號，產生被測電子設備能夠識別的實際激勵信號； 所述集中配線控制模塊用于管理飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺與被測電子系統的配線，通過集中配線控制模塊能夠選通連接需要激勵的被測電子設備； 所述中央數據處理單元是具有數據處理功能和圖像處理功能的計算機硬件，它用于協調各子系統直接數據交互，向各子系統分配數據接口，存儲和管理各子系統產生的數據； 所述電源管理系統對被測電子系統中各被測電子設備進行供電的遠程控制管理，能夠模擬設備掉電或者供電不足的危險情況，為被測電子系統提供設備掉電測試環境，從而能夠觀察被測電子系統在單個或多個被測電子設備掉電的情況下的工作情況； 所述外部數據接口向第三方測試設備提供軟硬件接口； 所述用戶指令干預系統供用戶通過軟件指令對飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺進行控制，用戶通過軟件指令以手動模式能夠產生系統激勵模型不能產生的原始激勵信號。
2.如權利要求1所述的飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，其特征在于所述機體模型包括飛行器外形結構模型、發動機模型和飛行模擬模型。
3.如權利要求2所述的飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，其特征在于所述飛行器外形結構模型的內容包括機體長度、翼展尺寸、控制舵面位置、機體受力面積、機體重量。
4.如權利要求2所述的飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，其特征在于所述發動機模型的內容包括發動機類型、發動機推力。
5.如權利要求2所述的飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，其特征在于所述飛行模擬模型的內容包括飛行控制律、飛行狀態、預飛條件設置參數。
6.如權利要求1所述的飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，其特征在于所述模擬環境模型包括全球導航及地形地圖模型和大氣環境控制模型。
7.如權利要求1所述的飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，其特征在于所述模擬視景系統具有第三方視景軟件接口，能夠通過加載第三方視景軟件方式提供相應的可視化環境。
全文摘要
本發明提供一種飛行器電子系統的模型激勵仿真平臺，包括系統激勵模型、模擬視景顯示系統、模擬儀表與開關系統、中央數據處理單元、用戶指令干預系統、信號發生系統、數據采集監控系統、集中配線控制模塊、電源管理系統、外部數據接口；系統激勵模型包括機體模型、模擬環境模型、電子設備模型、軟件接口；機體模型模擬機體的結構，以及模擬飛行控制和條件參數對機體飛行的影響，并將機體模型模擬數據傳遞給電子設備模型；模擬環境模型向機體模型提供模擬的外部環境，電子設備模型中內建了一個或多個被測電子設備的邏輯模型。本發明用于飛行器電子系統的測試。
文檔編號G06F17/50GK103065022SQ20131002768
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月24日 優先權日2013年1月24日
發明者宋益平, 李家遠, 袁侃 申請人:無錫華航電子科技有限責任公司