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摘要：教员台系统（IOS—instructors operating Station）作为直升机飞行模拟机的一部分，也是整个直升机模拟机的指令中心。依据直升机模拟机功能特性分析，研制了直升机飞行模拟机的教员台系统。本文研究了直升机模拟机教员台系统的总体结构、构造原理和人机交互界面，并且开发了一套针对直升机的常规训练科目和特定故障的直升机飞行故障数据库系统。实际应用情况表明，该教员台系统很好的满足直升机模拟机的使用要求。
关键词：直升机飞行模拟机；教员台；直升机故障数据库
中图分类号：V226+.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）11-0167-04
直升机与固定翼飞机在飞行方式、操纵方式和任务使命上存在着显著区别，在研制其飞行模拟机上也有着特殊的需求。直升机模拟机与飞行模拟器在整体设计结构和用途上有着高度的相似方面，但是，由于直升机其独特的操作方式、飞行性能和飞行环境的显著差异，因此直升机模拟机的设计要求和功能需求也有着明显。一台合格的直升机飞行模拟器必须能满足特定的相关训练功能和模拟飞行要求，而模拟机是通过教员台选择训练项目、设置飞行参数和控制环境参数，实现控制整个模拟飞行过程。可以说教员台是直升机模拟机满足最初的设计要求，实现应用需要的最关键的一个环节。
飞行仿真（Flight Simulation）是系统仿真学科的一个重要组成部分，直升机模拟机是一个典型的人在回路中的仿真系统[1]。直升机模拟机在直升机的设计、研制、试飞过程中都起着着关键的作用，尤其可以应用在飞行员日常飞行训练上。
1 直升机模拟机教员台系统总体结构
直升机和固定翼飞机在飞行特点和操纵方面来有着显著的区别，所以在研制其飞行模拟器也有着特殊的要求。在驾驶员操纵方面，直升机驾驶员通过中央周期变距杆、脚蹬和总桨距杆对直升机飞行控制，并且直升机纵、横、航和总距通道的任一操纵都会引起其它方向的耦合运动，因此对直升机的操纵一般比固定翼大飛机困难许多[2]。
直升机模拟机的仿真模型计算机通过飞行动力学模型和运动方程，解算出直升机运动及姿态等性能数据及飞行员对直升机的操作响应参数，最终将实时的飞行参数和响应状态数据传输到仪表显示系统、视景系统、自动驾驶系统、运动系统、通讯系统中，并将各系统的操作响应反馈给飞行员，从而完成直升机飞行模拟整个过程，如图1所示。
教员台系统由控制模块和交互模块组成，其中控制模块是整个教员台系统的控制模拟仿真的中心；交互模块则是模拟机与人的交互接口，如图2所示。教员台系统作为直升机模拟机整体的控制中心，教员台与直升机模拟机其他模块之间必然有着指令交互。通过对各种指令来控制系统的运行，实时监控、分析飞行模拟器的运转状态和飞行过程。教员台主要与直升机模拟器负责整个网络数据交互的仿真模型计算机进行数据通信，由仿真模型计算机将数据进行计算传输。教员台整体框架是基于Windows7操作系统，界面采用Qt软件进行编译，采用UDP传输协议，通过以太网和直升机模拟机其他系统进行连接。交互模块具备了教员台所有的常用功能和紧急功能，常用功能能够方便地控制模拟机的运转状态；紧急功能则能保障对直升机模拟机和其系统出现意外情况时应对。使用人员可以通过教员台的交互模块来完成监控模拟机运行状态和指导、管制和监督飞行员训练。操作员通过教员台交互模块完成对直升机模拟机运行情况的实时调节，并实时反馈和备份直升机状态、飞行状态、机载模型运行状态。
2 教员台的功能需求分析
作为直升机模拟机的控制中心，教员台的功能是根据直升机模拟机的整体功能来搭配设计的。首先要考虑最基本的要求，人性的控制功能、准确的信息显示、齐全的训练功能和简单便利的操作，最重要的是还要在使用功能上完美契合整体模拟机的运行。这里把教员台的功能主要分为四个部分，基本设置功能、显示功能、训练控制功能、和其他辅助功能，如图3所示。
基本设置功能作为模拟机教员台系统的功能中最为核心功能，由交互模块下达指令和控制模块传输出设置参数道直升机模拟仿真中心，基本的设置功能分为直升机模拟参数设置、环境参数设置和训练科目设置。（1）直升机模拟参数设置是对直升机状态参数和位置参数的配置。直升机状态参数包括燃油量，直升机总重、重心，括油门杆、总桨距位置参数等；模拟机状态设置有模拟机的运行、维护和更新。另外，为了系统更加人性化方便平时操作，单独建立了快速设置按钮、复位设置按钮和冻结设置按钮，我们会在界面交互设计章节具体解释。（2）环境参数设置主要是气象环境条件和地理位置设置。气象环境条件设置值为某次飞行训练配置天气条件数据、时间数据，包括训练时段（黎明、白天、黄昏、夜晚）、风切变、微暴、降雨、降雪、雾、风、云、可见度、海平面气压、温度等[3]。地理位置设置主要是停机坪位置的设定，指在特定的经纬度地点起飞降落，平台区域的大小、周围环境变量。（3）训练科目设置主要分为选择训练科目和选择故障设置。飞行训练设置主要是针对直升机的正常起、落、航线训练，还有一些难度大和危险系数高的特殊飞行训练设置。依据CCAR-60和训练大纲编译了基本直升机训练科目，存储于的直升机飞行故障数据库中，使用人员能够非常方便的选择和设置训练科目，并可以修改特定飞参数；故障设置是指由于飞行员操作或飞行环境改变引起的直升机某个部件或者某个系统故障进而一起整个直升机的飞行状态的异常。在设计原理上模拟故障的状态能够由飞行员的不正确操作激活，也可以在教员台交互界面上进行激活，同理，如果飞行员恰当的操作直升机可该处故障状态，也可以经过教员台设置去掉部分或全故障。
显示功能，是能够直观的监视模拟机各系统的运行状态、可视化的反馈飞行员的操作，可以方便的监视直升机性能参数、环境参数和飞行曲线的变化，如高度、速度、航向、燃油量、姿态和飞行时间等；飞行仪表显示包括直升机上所有飞行仪表显示，如无线电高度表、空速表、气压高度表、升降速表、油料表和导航仪等仪表的显示内容的输出。训练控制功能，是整个教员台功能中的核心功能，控制模拟机和其他系统的起动、停止、重放和初始化等[4]。其他辅助功能，是为了实现整体目标功能的其他辅助性结构基础功能，主要是通讯和接口功能。主要包括教员台控制模块与交互模块之间的通讯功能；教员台系统与模拟机其他系统之间的信息交互的接口设计。
3 关键技术研究
3.1 界面与交互
教员台可以视为一个软件包，其应用是管理训练任务[5]。从这种意义上讲，教员台系统需要提供一个优化的用户界面使得使用人员能够高效便捷的使用。教员台整体界面布局大体上采用左右分块边栏的布局，其中在屏幕右边栏又分为上中下三部分，从上到下分别是基本模拟参数模块、故障设置模块和模拟机控制模块，如图4所示。基本模拟参数模块的设置显示了直接影响模拟飞行的关键变量参数，如经度、纬度、空速、爬升率、燃油重量和燃油温度。中间模块用來显示训练科目的选择、具体飞行数据、环境参数设置、飞行曲线和气象参数设置等的选项按钮，可以进一步交互显示相关具体详细信息。最下模块主要集成了整体模拟机的控制指令按钮，如程序启动、暂停、冻结和退出程序等。界面的的左侧栏占了大多数空间，可用于显示对应具体选项的下一步交互指令显示对象，包括具体的系统参数、航图显示、气象信息参数信息和飞行信息等。
具体的交互设置包括交互层数和输入输出的设定。如果选中某项命令，就会打开对话框并根据用户选择激活下一层对话框。大部分交互选项不超过3层交互，如果交互层过多很容易迷失方向，由于错误选择会造成深陷其中[6]。在最上层，使用最多的操作包括：教员台的全局管理、建立直升机的初始飞行条件、选择气象、数据记录和回放和显示航路相关信息。这些信息选项在右侧边栏是恒定显示的，之后选定后的第二层、第三层交互信息流动的直接、完全的显示于左边框架内，如图5所示。
在人在的回路交互模型中，需要有相应的输入方式，这里采用触摸屏幕的输入方式，可触摸屏幕可以很好解决。对于数据的输入方法针对不同的类型参数选择不同的输入方法，如某些数据的数值很大或不需要精确输入，选择百分比的比值输入方法，如直升机燃油油量的数据等。另外一些数据必须要求输入精确的数值，但需要设置上下限，如风向、迎角等。
3.2 故障设置
故障设置作为整个控制模块中最核心的逻辑运算部分，同时也是最难实现的关键点。实现故障设置的首先条件就是必须对直升机结构功能有相当深刻的理解，尤其是各种系统功能构造之间的会造成相关故障的逻辑关系。例如设置条件故障时，会伴随有其逻辑解算方法，假如通过交互模块上输入了一个条件故障，接下来模拟仿真计算机需要考虑直升机在现实飞行的与设置的故障所有相关的因素，最后将这些因素的影响用逻辑算法和程序代码表现出来，并且在模拟仿真过程中计算机对相应的因素进行分析计算。在教员台的控制模块逻辑中，根据故障所在直升机的系统不同进行归类的，如液压系统故障、发动机系统故障、旋翼系统故障等，在每个系统故障又可以分为该故障类的具体故障部位、零件等。就理论上而言在教练员上要能设置真实直升机飞行中所有可能发生的故障，但在实际研究中非常难模拟仿真出理论上全部的可能性故障。依照以上的故障分类方法可以有以下两种逻辑方式：
（1）实时故障。实时故障就是指在模拟直升机飞行过程中，教员台上可以实时的进行故障设置，实时的模拟故障效果，当取消故障设置时故障效果即刻恢复。这种逻辑方式的故障在控制模块的逻辑中很简单，用代码1和0就可以解决，其中1表示激活、0表示冷置。（2）条件故障。条件故障的逻辑方式是指在交互模块上点击激活故障之后，仍然需要达到的某些预设的触发条件才能使模拟机模拟故障状态，预设的触发条件一般有飞行时间、航程或其它的仿真变量等。当变量变化超过特定的预设值时触发模拟故障，当模拟机脱离了故障持续阶段后故障自动解除，也可以在教练员台的交互模块上取消故障。
3.3 故障数据库
为了管理训练课目数据和故障设置数据，软件采用了Qt数据库控件构建的两个标准数据库，分别是训练科目数据库和直升机故障数据，具备了数据采集、数据录入、数据编辑、数据存储、数据查询、数据删除和数据输出的功能。训练科目数据库内容数据主要内容包括模拟飞行训练科目管理信息、训练科目数据信息和学习资料等数据。直升机故障数据是通过搜集、分析、整理了近年来所有国内外该直升机机型的飞行故障调查报告，仔细分析、总结造成事故的直接原因，进而分析由直接原因引起的直升机某些系统的故障，最后设计对应的直升机仿真模型中的逻辑变量，来设置相应的故障。应当指出的是，并非所有的直升机事故调查的直接原因都是故障引起的，绝大多数部分事故直接原因是人为因素，还有相当于一部分的事故调查直接原因是违规引起的，其中由于故障引起的事故比例只有不到12.4%。以这些数据作为基本参考开发了一套针该直升机机型的特定的故障事故数据库，再把可能事故故障类型，故障参数、故障系统，预先存储于教员台的飞行故障数据库中供选择数据设置。
4 结语
一套简单、易用、人性化的教员台系统对直升机模拟机整体的实用性来说至关重要。本文主要介绍了直升机模拟机教员台系统的总体结构，界面交互、故障设置以及构建飞行故障数据所涉及的关键技术，针对性的开发了一套实用性很强的教员台系统，很好的配套了整体直升机模拟机的开发和应用。
参考文献
[1]王行仁，贾荣珍.飞行实时仿真系统及技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.
[2]徐小方.直升机RLO飞行风险分析[J].科技资讯，2014，（10）：214-215.
[3]熊海国，何景峰，马建明，韩俊伟.面向对象的商用飞行模拟机教员台设计与实现[J].计算机工程与应用，2010（34）：219-223.
[4]付炜，雷力.全任务飞行模拟机TCAS系统设计与实现[J].系统仿真学报，2013，（08）：317-323.
[5]刘凌宇，王江云，韩亮.飞行仿真器控制台系统的设计与开发[J].系统仿真学报，2006，（s2）：654-657.
[6]（英）阿勒顿（David Allerton）著.飞行仿真原理（. Principles of Flight Simulation）刘兴科译.[M].北京：电子工业出版社，2013.
Abstract：Instructors Operating Station （IOS） is a part of the helicopter flight simulator， and it is the command center of the whole helicopter simulator. According to the analysis of helicopter simulator"s function， an advanced IOS system for helicopter flight simulator has been developed. This paper studies the overall structure， construction principle and the man-machine interface of helicopter simulator IOS system， and a helicopter flight fault database system has been developed for the routine training subjects and specific faults of helicopters The practical application shows that the IOS system can meet the requirement well of helicopter simulator.
Key Words：Helicopter Flight Simulator， Instructor Operating Station（IOS）， Helicopter Flight Fault Database