Устройство сопряжения объектов для авиационного тренажера



Устройство сопряжения объектов — проект по созданию интерфейсной машины, обеспечивающей взаимодействие между сервером моделирования авиационного тренажера и внешними периферийными устройствами: контроллерами/индикаторами в кабине, джойстиками и другими устройствами информационно-управляющего поля. Интерфейсная машина — это программно-аппаратный комплекс, состоящий из программных компонентов, работающих поверх стандартной операционной системы и вычислительной машины в специальном исполнении корпуса, с различными периферийными платами (PCI/USB/PCI-X). В настоящий момент, интерфейсная машина успешно работает на многих выпущенных тренажерах.

Ключевые слова: устройство сопряжения объектов, интерфейсная машина, авиационный тренажер, проектирование, программное обеспечение

В условиях постоянного роста стоимости современных самолетов и вертолетов, а также затрат на их техническую эксплуатацию все более широкое применение в повседневной деятельности строевых частей ВВС находят авиационные тренажеры. Они позволяют сократить расходы и сберечь ресурс авиатехники; повысить безопасность полетов за счет отработки готовности летчиков к действиям во всякого рода нештатных ситуациях; поднять боевую эффективность за счет повышения квалификации летного состава и предварительного многократного моделирования боевых операций; усилить контроль над дисциплиной полетов.

Бурное развитие компьютерных технологий, снижение цен на вычислительную технику дает возможность реализовать сложные текстуры изображений и высокую степень их детализации с частотой обновления 30–60 кадров в секунду, а также возможное отображение и таких атмосферных явлений, как туман, изолированные облака и другие. Поддержание работоспособности собственной экспериментальной базы потребовало значительных усилий и в продвижении базисных технологий тренажеростроения — систем, обеспечивающих воздействие на органы чувств летчика по наиболее существенным каналам восприятия. В сумме они создают адекватную картину полета: зрение — система визуализации и приборная доска, кинестетический канал — система загрузки рычагов управления, слух — имитаторы авиационных шумов, вестибулярный аппарат — система подвижности. Все перечисленные факторы должны быть скоординированы с «движением» самолета/вертолета, отклонениями рычагов управления и нажатием клавиш на пультах. Эти координирующие функции выполняет математическая модель динамики полета самолета/вертолета с системой управления, которая размещается в головном компьютере вычислительного комплекса.

Назначение ицели создания интерфейсной машины.

Интерфейсная машина предназначена для обеспечения прозрачного обмена данными между элементами управления тренажером и вычислительным комплексом. Интерфейсная машина предназначена для использования в тренажере для летательного аппарата Як-130. Главной целью проекта является создание системы для обмена и обработки потоков данных между различными устройствами тренажеров с максимально-возможной пропускной способностью. Интерфейсная машина состоит из независимо работающих модулей, которые обслуживают интерфейсы: Can, Arinc-429, RS-232 и протокол Olrtp-2.

Составные элементы пилотажного тренажера испособы обмена информацией между ними.

Базовыми составными элементами пилотажного тренажера являются: системы отображения визуальной информации, система подвижности, математические модели.

Системы отображения визуальной информации.

Экранно-проекционные системы. Кабины многих типов самолетов и вертолетов обеспечивают экипажу большой угол обзора по вертикали. Поле обзора таких систем визуализации по требованию заказчика может составлять от 30º до 60º по вертикали и от 150º до 240º по горизонтали. Большое поле обзора реализуется за счет использования нескольких (от 3-х до 6-ти) идентичных каналов визуализации, в которых применяются оптимальные по критерию «стоимость/эффективность» для конкретных требований заказчика DLP или CRT проекторы высокого разрешения от 1400х1050 до 1600х1200 пикселей.

Оптико-коллимационные устройства (ОКУ) Для тренажеров самолетов и вертолетов, у которых можно ограничиться небольшим углом обзора по вертикали (до 30º), но требуется создать у летчика ощущение удаленности панорамного изображения на очень большое расстояние (аккомодация глаз на бесконечность и сохранение неизменного направления линии визирования любого объекта при произвольном движении головы летчика), экранно-проекционные системы визуализации мало пригодны. В этом случае наилучшими характеристиками обладает система визуализации на базе оптико-коллимационных устройств (сферическое зеркало + светоделительная пластина) и нескольких проекционных мониторов (от 3-х до 5-ти). Рациональная оптическая схема, специальная силовая конструкция и практически идеальная сферичность стеклянного зеркала дают возможность легко компоновать из таких ОКУ многооконные системы визуализации, обеспечивающие слитность и непрерывность панорамного изображения.

Системы подвижности.

Для моделирования перегрузок и угловых ускорений используются 6-ти степенные (6-DOF) системы подвижности синергетического типа.

Система управления может быть разбита на две части: цифровую (унифицированную и легко настраиваемую для любой системы подвижности) и аналоговую (привязанную к конкретным приводам и к определенному оборудованию). Все программное обеспечение объединено в единую систему, причем структура ПО не должна быть жесткой и может быть в любой момент дополнена или доработана. При этом система выводится из эксплуатации лишь на время тестирования нового программного обеспечения. Подобный подход делает систему управления универсальной для любой системы подвижности. При этом необходима лишь минимальная доработка системы и введение в ПО геометрических параметров системы подвижности.

Математические модели.

Разработка высокоадекватных математических моделей динамики полета самолетов и вертолетов является серьезным элементом тренажера летательного аппарата, где сосредоточены аэродинамические трубы, охватывающие полный диапазон режимов полета современных летательных аппаратов (ЛА), передовые методы расчетной аэродинамики, имеются идеальные условия для создания математических моделей аэродинамических характеристик. Эти модели способны учитывать такие тонкие явления, как нестационарные и гистерезисные эффекты на больших углах атаки, присущие штопору и сваливанию, эффекты влияния подвесок и упругости конструкции, влияние близости земли и обледенения. Надежная верификация математических моделей динамики современных ЛА — сложный многошаговый процесс, окончательно завершающийся государственными испытаниями тренажеров.

Так как элементы пилотажного тренажера являются полностью аналогичными элементам реального самолета, то для обеспечения симуляции реального полета устройства работают независимо друг от друга. Поскольку события от разных устройств возникают с различной частотой, то система, обеспечивающая взаимодействие этих устройств, должна работать в асинхронном режиме.

Проектирование интерфейсной машины

Основными задачами интерфейсной машины являются:

1. вывод имитационных звуков самолета;
2. обеспечение минимальных задержек на прием-передачу данных;
3. прием-передача данных через интерфейсы:
   1. Ethernet
   2. CanBus
   3. Arinc-429
   4. RS-232
4. обеспечение мониторинга текущего состояния приема-передачи данных.

Структурная схема интерфейсной машины показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема интерфейсной машины

В основе деятельности по созданию и использованию программного обеспечения (ПО) лежит понятие его жизненного цикла (ЖЦ). ЖЦ является моделью создания и использования ПО, отражающей его различные состояния, начиная с момента возникновения необходимости в данном программном изделии и заканчивая моментом его полного выхода из употребления у всех пользователей [1].

Традиционно выделяют следующие основные этапы ЖЦ ПО:

1. Анализ требований;
2. Проектирование;
3. Кодирование (программирование);
4. Тестирование и отладка;
5. Эксплуатация и сопровождение.

При разработке модуля интерфейсной машины на этапе проектирования происходит исследование структуры системы и логических взаимосвязей ее элементов, причем не рассматриваются вопросы, связанные с реализацией на конкретной платформе. Проектирование определяется как "(итерационный) процесс получения логической модели системы вместе со строго сформулированными целями, поставленными перед нею, а также написания спецификаций физической системы, удовлетворяющей этим требованиям».

Особенности интерфейсов иих назначение.

Особенности интерфейса Arinc.

Каналы ПК по ARINC-429 используются для передачи цифровых данных между элементами систем авиационной электроники. На бортах летательных аппаратов, гражданских и военных, до 75 % цифрового межсистемного обмена приходится на каналы интерфейса ARINC-429, таким образом, этот интерфейс является основным «интеллектуальным» связующим звеном в системах авиа-электроники [2].

Особенности интерфейса Can.

CAN — физическая среда передачи данных интерпретируется как эфир, в котором контроллеры, работают как приемники и передатчики. При этом, начав передачу, контроллер не прерывает слушание эфира, в частности он отслеживает и контролирует процесс передачи текущих, предаваемых им же, данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Все узлы сети принимают весь трафик передаваемый по шине. CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений [3].

Особенности протокола Olrtp-2.

Внутрисистемное взаимодействие компонент реализуется через сетевой менеджер с использованием унифицированного сетевого протокола Open Link Real Time Protocol (OLRTP) [4].

Сетевой протокол OLRTP обеспечивает:

1. приоритетность пакетов, приоритетную передачу данных;
2. опциональную гарантированную передачу данных;
3. поддержку как циркулярной, так и избирательной рассылки данных, при этом широковещательная (двум или более адресатам) передача информации осуществляется за один такт;
4. передачу команд и данных различной структуры, в том числе аудио и видео информации, сервис файлового менеджмента (копирование, удаление файлов, запуск процессов на удаленных ПК);
5. передачу массивов данных не ограниченной длины.

Схема обработки потоков данных.

Диаграммы потоков данных (DFD) являются основным средством моделирования функциональных требований проектируемой системы. С их помощью эти требования разбиваются на функциональные компоненты (процессы) и представляются в виде сети, связанной потоками данных. Главная цель таких средств — продемонстрировать, как каждый процесс преобразует свои входные данные в выходные, а также выявить отношения между этими процессами.

Схема обработки потоков данных интерфейсной машины показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема обработки потоков данных интерфейсной машины

Отладка итестирование интерфейсной машины

Одним из самых сложных и трудоемких этапов технологического процесса разработки программ является их тестирование и отладка. Как известно, при создании типичного программного проекта около 50 % общего времени и более 50 % общей стоимости расходуется на проверку (тестирование) разрабатываемой системы и ее отладку.

Модуль мониторинга (рис. 3) — это отдельный исполняемый клиентский модуль, для удаленной отладки, отслеживания и управления состоянием интерфейсной машины в режиме реального времени.

Рис. 3. Схема подключения модуля мониторинга к интерфейсной машине

Со стороны модуля мониторинга, интерфейсная машина (рис.2.3) — представляет собой сервер, к которому можно подключиться удаленно посредством протокола TCP/IP. С помощью модуля мониторинга удалось протестировать работу различных протоколов, целостность пакетов данных, пиковую нагрузку интерфейсной машины и в частности подсистемы ввода-вывода.

Выводы.

В работе были рассмотрены основные этапы и методы проектирования интерфейсной машины для авиационного тренажера. Главным особенностью созданной интерфейсной машины является использование объектно-ориентированной парадигмы, что гарантирует легкость замены и показывает перспективность ее использования для других систем обработки пакетов данных реального времени.

Литература:

1. С. Макконнелл. Совершенный код. Практическое руководство по разработке программного обеспечения. СП.: Питер, 2005.
2. Arinc 429 Bus Interface. Actel Corporation, 2005.
3. А. Лапин. Интерфейс Can слагаемые успеха. // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, № 2, 2005.
4. М. В. Красильникова. Проектирование информационных систем: Учебное пособие — М.: МИСиС, 2004. — 106 с.