بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، چیدمان سختافزاري و نرمافزاري یک شبیهساز پرواز ارائه میشوند. از آنجاییکه شبیهسازي گرافیکی بلادرنگ نیازمند حل معادلات حرکت هواپیما و ارتباط سیستمهاي پروازي در یک بازة زمانی مشخص و منطقی است، لذا محاسبات سریع و ارتباط بین دادهها امري ضروري است؛ بهمنظور انجام محاسبات به همراه حجم بالاي ارتباط بین دادهها، از شیوة پردازش موازي روي مجموعهاي از رایانهها استفاده شده است. با استفاده از پروتکل ارتباطی بعَبه1 روي یک مود سرور کلاینتی ما توانستهایم محاسبات و ارتباط بین دادهها را بهمنظور رسیدن به یک شبیهسازي گرافیکی بلادرنگ مدیریت کنیم. نهایتاً شبیهساز با مقایسه و تطبیق دادن بین دادههاي شبیهساز و دادههاي تست پرواز با همان هواپیما اعتبارسنجی میشود.
مقدمه
امروزه شبیهسازي پرواز جزء لاینفک طراحی و توسعه هر وسیله نقلیه هوافضایی شده است. بالا بودن هزینههاي ساخت و آزمایش و در برخی موارد مسائل ایمنی اجازة کوچکترین اشتباهی را نمیدهد. تنها راهی که وجود دارد این است که قبل از شکلگیري محصول نهایی رفتار آن را از طریق مدلسازي و شبیهسازي مشاهده و تجزیه و تحلیل کرد. از طرفی در برخی از موارد تنها شبیهسازي پرواز است که براي شرایط خاصی مورد استفاده قرار میگیرد. ایجاد شرایط اضطراري در شبیهسازهاي پروازي براي آموزش و آمادهسازي خلبانان براي برخورد احتمالی با این شرایط از جمله آنهاست .[1] اصولاً شبیهسازها را میتوان در دو دسته کلی شبیهسازهاي آموزشی و شبیهسازهاي مهندسی طبقهبندي کرد.
شبیهسازهاي آموزشی براي شبیهسازي رفتار سیستمی که پیش از آن توسعه پیدا کرده و ساخته شده است مورد استفاده قرار میگیرند و هدف از طراحی و ساخت آنها آشنا کردن کاربران سیستم با عملکرد رفتاري آن، با هزینه و خطر پایین است. حال آنکه شبیهسازهاي مهندسی در حوزة طراحی سیستمها مورد استفاده قرار میگیرند و براي طراح این امکان را بهوجود میآورند که پیش از آنکه دست به ساخت و آزمایش سیستم بزند، با هزینه بسیار کمتري از عملکرد رفتاري طرح موردنظر خود آگاه شود. در دسترس داشتن شبیهسازي که دید همهجانبه و کاملی از رفتار سیستم مورد بحث در اختیار طراح قرار دهد، در حال حاضر بهعنوان یک نیاز غیرقابل انکار در فرایندهاي مهندسی مورد توجه قرار میگیرد.
شبیهسازهاي پرواز ابزار بسیار ضروري براي آموزش خلبانها محسوب میشوند؛ در چنین شبیهسازهایی شرایط نرمال و اضصراري براي نوع خاصی از یک هواپیما آموزش داده میشود؛ پیشرفت و توسعه سختافزارها و نرمافزارها این امکان را فراهم ساختهاند تا هزینه توسعه و نگهداري شبیهسازهاي گرافیکی کاهش یافته و استفاده از آنها در صنعت شبیهسازهاي پرواز رشد روزافزون کنند؛ با اینحال پیادهسازي آنها نیازمند ملاحظات خاصی است .[2]
در این مقاله، نیازمنديهاي سختافزاري، چیدمان و روشهاي نرمافزاري پیادهسازي یک شبیهساز پرواز ثابت براي یک هواپیما، که در پژوهشگاه هوافضا ساخته و راهاندازي شده است، ارائه میشود. این شبیهساز قادر است تمامی سیستمهاي پروازي، رفتار دینامیکی هواپیما و شرایط اضطراري را شبیهسازي کند. بدین منظور نیازمند حل همزمان معادلات پروازي، اعمال وروديهاي کنترلی، مدیریت دادهها، ارتباط بین حجم عظیمی از دادهها، بالا بردن قابلیتهاي گرافیکی و ارتباط با وروديهاي کنترلی بهصورت بلادرنگ است.
ساختار سختافزاري
طراحی و اهداف عملی پیادهسازي شبیهساز پروازي را میتوان در چند مورد خلاصه کرد: انجام تستها و جمعآوري دادههاي پیش از پرواز، حل معادلات حرکت هواپیما، اجراي فرامین خلبان، نمایش گرافیکی پنلها و ابزار و آلات دقیق هواپیما، پیادهسازي شرایط اضطراري و ثبت وقایع .[3] بدین منظور ما این اهداف را از طریق یک سرور و 12 رایانه کلاینت مستقل که همه آنها از طریق شبکه داخلی به یکدیگر متصل بوده و یک مجموعه کامل از رایانهها را تشکیل میدهند، عملی کردهایم. این مجموعه رایانه در یک حافظه توسعهیافته موازي عمل میکند، بدین معنی که همه نودها منابع خودشان را - و نه بهصورت اشتراکی - دارا هستند. این نودها حافظه و هارد دیسک و سختافزارهاي مربوط به خودشان را دارند.
روش کار بدین صورت است که با انتگرالگیري عددي از معادلات دیفرانسیلی حرکت، مدل دینامیکی یک هواپیما بهدست آمده و با زمان توسعه مییابند؛ سپس خروجیهاي این مدل به سیستمهاي کنترلی و ناوبري بهعنوان ورودي داده میشوند؛ الگوریتمهاي گرافیکی کامپیوتري بهصورت بلادرنگ بهمنظور نمایش سیستمهاي تصویري و خروجیهاي گرافیکی هواپیما بهکار گرفته میشوند. علاوهبر این، با طراحی پنل استادخلبان و ایستگاهها، امکان ارزیابی فرایند آموزش توسط استادخلبان فراهم میشود. همچنین بهمنظور اعتبارسنجی و بررسی کیفیت سیستمهاي شبیهسازيشده کلیه وقایع بهطور همزمان ثبت میشوند.
شبیهساز ثابت هواپیماي پژوهشگاه هوافضا متشکل از کابین هواپیما به همراه سیستمهاي آن است که بهطور ثابت در محل خود مستقر شده و فاقد قابلیتهاي حرکتی و بصري است. این شبیهساز از قابلیتهاي زیر برخوردار است: شبیهسازي معادلات در شرایط پروازي مختلف هواپیما، شبیهسازي سیستمهاي هواپیما، شبیهسازي خرابی سیستمهاي هواپیما، شبیهسازي شرایط اضطراري، انعطافپذیري برنامه آموزش. شکل 1 بلوك دیاگرام چیدمان سختافزاري را نشان میدهد؛ همانطورکه ملاحظه میشود خطوط دوطرفه به معناي آن است که دریافت و انتقال داده بهصورت دوطرفه انجام میپذیرد؛ این درحالی است که خطوط یکطرفه بهمعناي آن است که یک طرف انتقالدهندة داده و طرف دیگر دریافتکنندة داده است؛ بهعنوان مثال ابزارآلات کنترلی مانند یوك و پدالها و تراتلها تنها داده را از طریق درگاه Bحس به سرور منتقل میکند.
پروتکل ارتباطی تعریفشده براي انتقال دادهها بدین صورت است که کلاینتها دادههاي خام پروازي را از خروجی معادلات در نود سرور دریافت کرده و آنها را تبدیل به خروجی گرافیکی میکنند؛ ضمن اینکه اجراي همزمان این خروجیها روي نمایشگرهاي گرافیکی نمایش داده میشوند. بنابراین هریک از 11 کلاینت به یک دستگاه نمایشگر متصل هستند که یک پنل هواپیما را نشان میدهد. پروتکل ارتباطی تعریفشده براي انتقال دادهها منجر میشود که آنها در یک مود موازي با هم کار کنند. این نودها تعدادي ورودي نیز از نمایشگرها دارند که جمعآوري شده و به سرور منتقل میشوند. کلاینتهاي گرافیکی عبارتند از: پنل راست، پنل چپ، پنل وسط، پنل ادوات، پدستال، کنسول 1، کنسول 2، پنل استادخلبان و پنل جیپیاس.
