高逼真度研究型飞行模拟器的可重构关键技术研究

摘要

高逼真度研究型飞行模拟器（High-fidelity Research Flight Simulator，RFS）是航空技术和飞行仿真技术等领域的重要研究设备，可以用于研发航空技术和先进仿真技术。随着我国民用航空的发展以及大飞机项目的逐步落实，就迫切的需要一个能够对飞行模拟器关键技术以及航空技术进行攻关的高逼真度研究平台，同时也为我国的训练型和工程型飞行模拟器的发展提供相应的理论和技术支持，改变我国民用飞行模拟器开发和研制上落后于国外发达国家的现状。
　　RFS是复杂昂贵的试验设备在其生命周期内会面临多项研究任务，而每项新任务都会对 RFS提出新的需求，这就要求 RFS能够快速的重构以迅速满足试验需求。系统的可重构性是RFS最重要的品质，直接关系到其应用范围和利用率。因此本文对RFS可重构特性、模型架构、实时调度、座舱环境重构和模拟器实现等理论和方法进行深入研究，解决RFS模型重构和座舱重构的关键技术问题，用以研制低成本、高灵活性的可重构RFS。
　　根据可重构设计的观点分析了RFS的变更层次，明确了 RFS模型重构的核心问题。根据质量属性驱动架构设计方法提出了基于结构化模型风格和面向对象风格的RFS模型架构，采用组合模式构建了RFS的基本仿真框架，结合结构化模型的层次特点对RFS的模型层次进行了规划，引入飞机系统层作为具体飞机系统物理模型的中介者，采用外观模式对飞机系统模型的接口进行了统一的规划处理，并运用订阅/发布思想实现了飞机系统间的数据共享。该框架减少了系统间的连锁反应和耦合，将飞机模型划分为多个能够独立变更的领域模型，保证提出试验需求的领域专家能够在不了解其他系统运行细节的情况下实现模型的添加和修改。
　　分析了系统进行模型重构时向实时模型中添加非实时代码对实时仿真的影响，根据组合模式的特点将整个仿真代码分解为实时代码、通讯代码和数据代码，并进行了统一的规划和约束，解决了基于多核多线程进行任务分解时的数据安全问题。利用多核处理器改进了现有的二级调度策略，采用处理器的一个独立核心作为实时任务的服务器，有效的降低了二级调度算法的实现难度，并充分利用了多核处理器的特点提升了系统的性能，使得领域专家可以在模型重构过程中向实时仿真模型中添加大量非实时代码。
　　分析了RFS座舱面板重构所面临的主要困难，提出了基于CAN总线的一对一采集系统，并采用概念模型使面板模型具有明确的一对一概念，将面板的重构问题分解为多个面板单元的重构。提出了点对点采集系统，开发了组合式采集盒和组合式管理程序，通过采集系统的层次化管理抽取了采集盒模型组织管理的共性，增加了采集盒硬件和软件的复用，有效的减少单个面板单元构建和重构时所需要的开发工作和维护难度。
　　基于通用PC实现了低成本RFS，给出了RFS的软硬件体系结构，分析了COTS技术的特点，采用层次化方法改进了COTS软件的集成策略，并使用Windows操作系统完成了对主仿真模型的实时调度，最后探讨了RFS的重构过程和典型实现结果。该异构分布式仿真平台成本低廉，可以实现高逼真度的实时仿真，具有较强的成本优势，对低成本可重构RFS实现方法和重构过程进行了有益的探索。

目录

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究的背景及目的意义

1.3 飞行模拟器的分类组成及概况

1.3.1 飞行模拟器的分类

1.3.2 飞行模拟器的组成

1.3.3 飞行模拟器发展概况

1.4 可重构RFS的发展及关键技术研究现状

1.4.1 可重构RFS的发展

1.4.2 RFS的软件架构研究现状

1.4.3 实时系统调度理论研究现状

1.4.4 座舱环境重构方法研究现状

1.5 本文研究主要内容

第2章 可重构RFS模型框架研究

2.1 引言

2.2可重构RFS的定义和关键问题

2.2.1可重构RFS的定义及分析方法

2.2.2 RFS变更识别与共性分析

2.2.3 RFS的变更层次及其关键问题

2.3 RFS的架构设计

2.3.1 质量属性驱动架构设计方法

2.3.2 RFS模型的变更场景及首要质量属性分析

2.3.3 RFS架构设计风格选择

2.3.4 RFS仿真模型架构设计

2.3.5 基于组合模式的RFS模型框架

2.4 RFS的结构化飞机模型实现

2.4.1 RFS的运行状态

2.4.2 RFS基本组件的构建

2.4.3 基于组合模式的结构化飞机模型划分与管理

2.4.4 基于中介者模式的飞机系统模型构建

2.4.5 飞机系统模型间的数据通讯与共享

2.5 本章小结

第3章 可重构RFS模型的运行与调度研究

3.1 引言

3.2 RFS模型调度的运行环境选择

3.2.1 模型变更对模型调度的影响

3.2.2 RFS模型调度的运行环境构建

3.3 基于多核多线程技术的RFS任务分解

3.3.1 多核处理器对RFS运行调度的影响

3.3.2 基于组合模式的RFS运行模型

3.3.3 RFS的实时任务和非实时任务分解

3.3.4 RFS组件的数据竞争与安全策略

3.4 RFS飞机模型的混合任务调度

3.4.1 基于多核处理器的二级调度方法

3.4.2 RFS的混合任务调度与实现

3.5 本章小结

第4章 RFS的座舱面板重构研究

4.1 引言

4.2 座舱环境的变更特点和重构的关键问题

4.2.1 RFS座舱环境变更特点

4.2.2 座舱面板实现重构的关键问题

4.3座舱面板系统的改进策略

4.3.1 座舱面板采集系统的改进

4.3.2 座舱面板实现方式的解耦

4.3.3 一对一座舱面板系统仿真模型的层次化管理

4.3.4 座舱面板概念模型的数据管理

4.3.5 仿真模型通讯实现

4.4 点对点采集系统的构建

4.4.1 座舱面板分布式采集系统的层次化

4.4.2 采集盒设计实现

4.4.3 通讯层和协议层实现

4.5 本章小结

第5章 基于PC/Windows的可重构RFS开发与试验

5.1 引言

5.2 RFS组成体系结构集成

5.2.1 RFS硬件平台结构

5.2.2 RFS计算机组成结构

5.2.3 COTS软件集成策略

5.2.4 电子显示系统的COTS实现与重构

5.3 RFS实时仿真试验

5.3.1 RFS典型系统的模型建立

5.3.2 RFS的模型组成与部署

5.3.3 基于PC/Windows的模型调度

5.3.4 RFS实时仿真逼真度验证

5.4 RFS的重构过程及构型

5.4.1 RFS的重构过程

5.4.2 主要构型及特点

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历