一种飞机起落架实时仿真测试方法、系统、装置、计算机设备及存储介质与流程

本技术涉及计算机，具体涉及一种飞机起落架实时仿真测试方法、系统、装置、计算机设备及存储介质。

背景技术：

1、在飞机研制与系统集成试验中，飞行模拟器与铁鸟试验台通过仿真模型对飞机起落架的收放过程进行解算，用于验证收放控制逻辑以及起落架系统与其他机载系统的交联关系。为直观呈现收放过程，试验环境通常配置三维动画界面，通过三维模型展示起落架各部件的运动情况。

2、相关技术中，起落架收放过程的三维展示方式之一为关键帧动画方式。三维模型各部件的运动由预先制作的关键帧动画驱动，动画按照预设的轨迹与时序播放。关键帧动画的制作与仿真模型无关，在更换机型时，需要针对新机型的起落架结构重新制作整套关键帧动画。

3、相关技术中的另一种展示方式为事后回放方式。记录飞行过程或者试验过程中的参数数据，在事后按照帧序读取所记录的参数，驱动三维模型重现运动过程，用于事后分析与回放。

4、关键帧动画方式本质上是“播放”而非“反映”。动画的时序与姿态由人工预设，与仿真模型每个计算周期的解算结果相互脱节。收放过程中各阶段的到位时刻与到位顺序无法由仿真模型决定，因此无法用于验证收放控制逻辑、到位时序以及异常工况。并且，不同机型的起落架结构不同，关键帧动画需要逐机型重新制作，复用性较差。

5、此外，事后回放方式虽然使用真实参数驱动三维模型，但其所使用的参数来源于已经完成的飞行或者试验记录，驱动过程发生在事后，不能与正在运行的仿真模型实时联动，无法在仿真过程中同步反映收放动态，也无法参与收放过程的在线验证。

6、现有三维展示方式均无法使起落架三维动画与仿真模型的实时解算保持一致并反映收放过程各阶段的切换，导致收放控制逻辑与时序难以通过三维动画进行直观的在线验证。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种飞机起落架实时仿真测试方法、系统、装置、计算机设备及存储介质，能够使起落架三维动画与仿真模型的实时解算保持同步，并对收放控制逻辑与时序进行在线验证。本技术实施例的技术方案如下。

2、第一方面，提供了一种飞机起落架实时仿真测试方法。该方法由运动控制模块、数据交互中间件和三维动画引擎三方配合执行。运动控制模块运行起落架的仿真模型，充当解算侧的角色；三维动画引擎维护起落架三维模型，充当渲染侧的角色；数据交互中间件部署于独立的进程或线程中，在两者之间建立数据交互通道，充当传输侧的角色。该方法包括如下步骤。

3、首先，运动控制模块通过仿真模型，按照仿真步长对飞机起落架的收放过程进行实时解算，得到起落架各部件在每个仿真步长的运动参数。运动参数用于表征对应部件在收放过程中的实时姿态，例如舱门角度、支柱角度这类连续变化的数值，而不是动画片段的帧序号。仿真模型每推进一个仿真步长，就对起落架各部件的运动学方程求解一次。收放过程包括依次执行的至少两个行程阶段，各行程阶段对应起落架的不同部件的姿态变化。

4、然后，运动控制模块将每个仿真步长解算出的运动参数，经数据交互通道实时发送至三维动画引擎。数据交互通道连接仿真模型与三维动画引擎，运动参数在数据交互通道中的流向为自仿真模型至三维动画引擎。具体而言，运动控制模块将运动参数连同时间戳封装为数据包，交由数据交互中间件转发至三维动画引擎侧的接收接口。

5、接着，三维动画引擎基于接收到的运动参数，实时驱动起落架三维模型中与运动参数对应的部件的骨骼姿态，以在三维界面上呈现与仿真模型的实时解算结果同步的收放动画。这里需要说明的是，起落架三维模型本身不预存任何收放动画片段，模型各部件的姿态完全由每一个仿真步长传入的数值决定。例如，支柱骨骼节点的旋转角度被赋值为当前步长解算出的支柱角度，三维界面中的支柱部件随即呈现对应姿态。

6、在收放过程中，运动控制模块在仿真模型检测到当前行程阶段对应的到位条件满足的情况下，生成到位信号，并将到位信号经数据交互通道反馈至三维动画引擎，以触发收放过程自当前行程阶段切换至下一行程阶段。到位信号是表征当前行程阶段对应的部件已运动至目标状态的状态标志。在切换至下一行程阶段后，仿真模型的解算对象切换为下一行程阶段对应的部件，解算出的运动参数同样经数据交互通道实时发送至三维动画引擎，以驱动起落架三维模型中下一行程阶段对应的部件的骨骼姿态。上述解算、发送与驱动的过程在每一行程阶段内重复执行，直至收放过程的全部行程阶段执行完毕。

7、最后，三维界面上并行显示收放动画和基于运动参数绘制的数据曲线，以对收放过程进行验证。三维动画提供直观的空间姿态判断手段，数据曲线提供精确的数值判读手段，两条显示通道由同一份运动参数驱动，在时间上互相同步。

8、通过该方法，由于三维模型各部件的骨骼姿态由仿真模型每个仿真步长实时解算出的运动参数直接驱动，三维画面不再依赖任何预录制的动画片段，而是跟随解算数值逐帧更新，因此当收放速度、起始角度等工况发生变化时，动画中起落架各部件的姿态与仿真模型的解算结果始终保持一致。进一步地，由于各行程阶段的切换由仿真模型检测到到位条件满足后生成到位信号触发，阶段切换的时机由解算过程决定，而不是由预设的播放时长决定，因此动画的时序推进与收放控制逻辑的实际执行时序精确对齐，从而形成“仿真解算—动画驱动—到位反馈—阶段切换”的实时闭环，使收放控制逻辑与时序能够在仿真运行过程中通过三维画面被直观地在线验证。

9、在一种可能的实现中，上述至少两个行程阶段包括舱门开闭阶段、支柱收放阶段和车架收放阶段。舱门开闭阶段对应起落架的舱门部件的姿态变化，支柱收放阶段对应起落架的支柱部件的姿态变化，车架收放阶段对应起落架的车架部件的姿态变化。当前行程阶段对应的到位条件包括当前行程阶段对应的部件运动至预设的到位位置，例如支柱收放阶段的到位位置为支柱角度达到完全收上或完全放下对应的角度。通过这种实施方式，由于每个行程阶段的解算对象与动画驱动对象被明确限定为该阶段对应的部件，阶段之间的解算切换与画面切换不存在对象混淆，且到位判断以连续解算的角度数值为依据而不依赖定时器估计，因此到位信号的产生时机与部件的实际运动终点严格对齐，从而使起落架收放动画的阶段切换时机与真实收放机构的机械动作顺序保持一致。

10、在一些实施方式中，运动参数的发送借助于可配置的机型映射引擎完成。具体而言，加载与飞机的机型对应的机型参数配置文件，机型参数配置文件预定义了仿真模型的运动参数与起落架三维模型的骨骼节点之间的映射规则，映射规则包括运动参数与骨骼节点之间的语义映射关系和坐标系转换规则。机型参数配置文件的一种格式为对象标记（javascript object notation，json）文件。随后，按照映射规则将运动参数转换为对应的骨骼节点的骨骼姿态参数，并经数据交互通道将骨骼姿态参数实时发送至三维动画引擎，以使三维动画引擎基于骨骼姿态参数驱动骨骼节点所属部件的骨骼姿态。语义映射关系回答哪个参数驱动哪个骨骼节点的问题，坐标系转换规则回答参数数值如何换算为该骨骼节点上的姿态数值的问题。通过这种实施方式，由于运动参数与骨骼节点之间的映射关系被定义在外部配置文件中，由中间件在运行时动态加载而非执行固定的转换算法，映射关系与程序代码相互解耦，因此适配新机型时仅需更新配置文件即可建立新的映射，无需修改、重新编译和重新发布中间件程序，从而以较低的适配成本支撑多机型的仿真测试。

11、在一种可能的实现中，上述坐标系转换规则包括缩放系数、偏移量和轴向重映射关系。转换时，按照缩放系数和偏移量对运动参数的数值进行转换，并按照轴向重映射关系确定转换后的数值在骨骼节点上作用的旋转轴，得到骨骼姿态参数。在适配新机型的飞机的情况下，通过更新机型参数配置文件中的映射规则，即可建立仿真模型的运动参数与新机型对应的起落架三维模型的骨骼节点之间的映射。通过这种实施方式，由于不同建模软件导出的骨骼默认朝向差异、模型比例与旋转支点差异、骨骼初始姿态差异这三类常见的机型差异，分别由轴向重映射关系、缩放系数和偏移量三个独立要素对应修正，任一维度上的差异通过调整对应字段即可解决而不影响其余维度的映射结果，因此映射规则的配置与维护更加灵活，从而进一步降低了多机型适配的工作量与出错概率。

12、在一些实施方式中，该方法还覆盖地面滑行阶段的转弯测试。仿真模型基于接收到的转弯指令确定起落架的前轮的目标偏转角；基于目标偏转角和飞机的轴距确定转弯半径，并基于转弯半径、飞机的质心速度和主轮轮距确定内侧主轮与外侧主轮之间的轮速差，得到各机轮的轮速参数；再将目标偏转角和轮速参数经数据交互通道实时发送至三维动画引擎，以驱动起落架三维模型中前轮部件的偏转姿态和各机轮部件的旋转姿态。通过这种实施方式，由于目标偏转角、转弯半径与内外侧轮速差在同一运动学模型内由同一组输入量依次推导得出，前轮偏转与机轮旋转之间的运动学耦合关系被完整保留，因此动画中各机轮的转速与机身转弯运动在每个仿真步长上严格协调，从而真实复现了“转弯越急、内外轮速差越明显”的物理特性，提升了地面滑行仿真的逼真度。

13、在一种可能的实现中，仿真模型还基于目标偏转角确定内侧主轮与外侧主轮的刹车力矩分配比例。其中，外侧主轮的刹车力矩大于内侧主轮的刹车力矩，且外侧主轮与内侧主轮的刹车力矩之差随目标偏转角的增大而增大，以形成辅助转弯力矩。表征刹车力矩分配比例的刹车参数经数据交互通道实时发送至三维动画引擎，以使刹车参数与前轮部件的偏转姿态和各机轮部件的旋转姿态同步呈现。同步呈现的一种实现为：三维界面上以数值仪表或颜色深浅显示左右主轮各自的刹车力矩比例，且刹车力矩的显示帧与前轮偏转、机轮旋转的显示帧携带同一时间戳。通过这种实施方式，由于差动刹车力矩的分配与前轮偏转角联动，刹车行为对转弯的辅助作用被纳入同一仿真框架，因此刹车分配、前轮偏转和机轮旋转三者在三维界面上同步反映同一转弯工况，从而使工程师能够在同一画面中观察转弯与刹车的耦合效果，提升了转弯刹车测试的完整性与观测效率。

14、在一些实施方式中，还将仿真模型的解算时间戳与三维动画引擎的帧计数器进行比对，得到同步偏差；在同步偏差超过预设同步阈值的情况下，通过跳帧或调整收放动画的播放速度进行追赶，以使收放动画与仿真模型的实时解算结果保持同步。解算时间戳是仿真模型在每个仿真步长写入数据包的时间标记，帧计数器是三维动画引擎对已渲染帧的累计编号。跳帧是指丢弃滞后的中间姿态、直接将骨骼姿态更新为最新接收到的运动参数对应的姿态；调整播放速度是指以高于或低于正常速率的插值速度播放动画。通过这种实施方式，由于两侧时钟基准的比对持续进行，同步偏差一旦越限即被主动追赶消除，累积漂移不会随测试时长无限增大，因此收放动画与实时解算结果的同步关系在长时间连续测试中始终成立，从而保证了数小时级仿真科目中三维显示的可信度。

15、在一种可能的实现中，数据交互通道为基于用户数据报协议（user datagramprotocol，udp）的网络通道或共享内存通道。数据交互通道为双向通道，其中，自仿真模型至三维动画引擎的方向传输运动参数和到位信号，自三维动画引擎至仿真模型的方向传输帧同步信号，帧同步信号用于仿真模型对三维动画引擎的显示进度进行闭环校验。帧同步信号的一种内容为：三维动画引擎每完成一帧渲染，将帧计数器的当前值与对应显示的运动参数时间戳回传，仿真模型比对回传的进度与自身解算进度，判断显示侧是否按预期消费了已下发的参数。通过这种实施方式，由于显示侧的进度经帧同步信号回传至控制侧，动画是否跟上测试由隐含假设变为可量化检查的状态，因此控制侧能够及时发现渲染侧的滞后或异常，从而形成测试与显示之间的双向闭环。同时，udp形式的通道以较低的传输开销支撑跨计算机部署，共享内存形式的通道以更低的时延支撑同机部署，从而为不同硬件环境提供了适配手段。

16、在一些实施方式中，在收放过程中出现预设异常工况的情况下，通过三维动画引擎以区别于正常工况的显示方式，呈现起落架三维模型中发生预设异常工况的部件的骨骼姿态。预设异常工况包括部件卡滞、收放速度异常或到位信号未触发。例如，卡滞部件叠加小幅往复抖动或完全暂停的视觉效果；液压压力偏低导致收放速度异常时，三维模型的运动速度随实时参数自然减慢；到位信号未触发时，部件虽运动至目标位置，但正常工况下应有的到位高亮或颜色切换不发生。通过这种实施方式，由于异常工况被直接映射为三维画面中的差异化呈现，异常部件的姿态异常、速度异常或状态异常出现在工程师观察收放动画的同一画面中，因此工程师无需在告警列表与部件状态之间人工建立关联即可定位异常，从而缩短了异常定位时间，并提升了异常注入试验的效率。

17、在一种可能的实现中，对经数据交互通道传输的运动参数和到位信号进行全程记录，得到测试记录文件，测试记录文件中的每条记录包括时间戳和与时间戳对应的运动参数。在接收到回放指令的情况下，按照时间戳的时间顺序读取测试记录文件，并将读取到的运动参数重新发送至三维动画引擎，以通过三维动画引擎复现收放过程的收放动画。回放数据流与实时测试数据流经过同一条数据交互通道进入三维动画引擎，回放时的骨骼驱动逻辑与实时测试时完全一致。通过这种实施方式，由于回放画面与历史测试时的实时画面在原理上严格一致，因此工程师能够在事后任意时刻精确重现问题发生的过程，而无需重复进行物理试验，从而为故障定位与故障归零提供了直观且可信的视觉验证手段。

18、在一些实施方式中，仿真步长的取值范围为1毫秒至10毫秒。仿真步长的一种取值为1毫秒、2毫秒、5毫秒或10毫秒。通过这种实施方式，由于解算更新的频率高于常规三维显示的刷新需求，且单个仿真步长内的角度增量小于肉眼可辨的阈值，动画呈现的收放过程连续平滑，同时解算任务的计算开销保持在实时仿真平台可承载的水平，从而在显示效果与计算资源之间取得了平衡，为实时闭环在常规工程计算平台上的长期稳定运行提供了数值基础。

19、在一种可能的实现中，在上述舱门开闭阶段、支柱收放阶段和车架收放阶段的划分基础上，仿真模型基于驱动条件对收放过程进行实时解算。驱动条件包括收上驱动条件和放下驱动条件。收上驱动条件包括：接收到收上指令、舱门部件打开到位、支柱部件收上未到位且收上指令延时解除。放下驱动条件包括：接收到放下指令、舱门部件打开到位、支柱部件放下未到位且放下指令延时解除。其中，收上指令延时解除和放下指令延时解除是指，在接收到对应的指令后经过预设滤波时长，仿真模型才将该指令认定为有效指令，用于防止指令信号抖动。通过这种实施方式，由于指令信号在稳定持续预设滤波时长之后才被仿真模型响应，指令跳变沿附近的抖动被滤波时长吸收，因此抖动不会被认定为新指令，不会触发阶段的误切换，从而避免了抖动引起的收放过程异常中断或重复动作，提升了仿真测试在存在电气噪声的真实试验台环境中的稳定性。

20、第二方面，提供了一种飞机起落架实时仿真测试系统。该系统包括运动控制模块、数据交互中间件和三维动画引擎模块。

21、运动控制模块用于运行仿真模型，通过仿真模型按照仿真步长对飞机起落架的收放过程进行实时解算，得到起落架的各部件在每个仿真步长的运动参数。收放过程包括依次执行的至少两个行程阶段，各行程阶段对应起落架的不同部件的姿态变化。数据交互中间件连接运动控制模块与三维动画引擎模块，用于将每个仿真步长解算出的运动参数实时发送至三维动画引擎模块。三维动画引擎模块用于基于接收到的运动参数，实时驱动起落架三维模型中与运动参数对应的部件的骨骼姿态，以在三维界面上呈现与仿真模型的实时解算结果同步的收放动画。

22、运动控制模块还用于在仿真模型检测到当前行程阶段对应的到位条件满足的情况下，生成到位信号。到位信号经数据交互中间件反馈至三维动画引擎模块，以触发收放过程自当前行程阶段切换至下一行程阶段。在切换至下一行程阶段后，运动控制模块解算下一行程阶段对应的部件的运动参数，三维动画引擎模块基于下一行程阶段对应的部件的运动参数，驱动起落架三维模型中下一行程阶段对应的部件的骨骼姿态。三维界面还用于并行显示收放动画和基于运动参数绘制的数据曲线，以对收放过程进行验证。

23、三个模块之间的信号流向为：运动参数与到位信号自运动控制模块经数据交互中间件流向三维动画引擎模块，帧同步信号自三维动画引擎模块经数据交互中间件流向运动控制模块。各模块执行的处理细节可参见上述第一方面及第一方面任一种可选方式，此处不再赘述。

24、通过该系统，由于解算、传输、渲染三类功能分别由运动控制模块、数据交互中间件与三维动画引擎模块承担，模块之间仅通过数据交互通道交换数值与信号，各模块的开发、部署与替换相互独立，因此仿真平台与渲染平台的选型能够按项目需求灵活组合，从而提升了系统的工程可实施性与可维护性。

25、在一种可能的实现中，该系统还包括状态监测与记录模块。状态监测与记录模块用于旁路监听数据交互中间件传输的数据，对运动参数和到位信号进行全程记录，得到测试记录文件，测试记录文件中的每条记录包括时间戳和与时间戳对应的运动参数。状态监测与记录模块还用于在接收到回放指令的情况下，按照时间戳的时间顺序读取测试记录文件，并将读取到的运动参数重新发送至三维动画引擎模块，以复现收放过程的收放动画。旁路监听是指状态监测与记录模块以只读方式获取通道中的数据副本，不向主链路注入数据。通过这种实施方式，由于记录与回放能力以旁路方式接入，不占用主链路的传输与处理资源，实时测试性能不受影响，因此在不牺牲实时性的前提下获得了全程可追溯的测试记录能力，从而支撑了型号鉴定试验对测试过程可追溯、可复现的要求。

26、第三方面，提供了一种飞机起落架实时仿真测试装置。该装置具有实现上述第一方面或第一方面任一种可选方式所提供的功能。该装置包括至少一个单元，至少一个单元用于实现上述第一方面或第一方面任一种可选方式所提供的方法。在一种单元划分方式中，该装置包括解算单元、发送单元、驱动单元、切换单元和显示单元，五个单元分别与第一方面中实时解算、实时发送、骨骼姿态驱动、到位反馈与阶段切换、并行显示验证的处理过程一一对应。在该划分方式下，发送单元可选地进一步包括加载子单元和转换子单元，加载子单元用于加载与机型对应的机型参数配置文件，转换子单元用于按照映射规则将运动参数转换为骨骼姿态参数并经数据交互通道发送。上述单元的划分仅是示意性的，实际实现时各单元可选地合并或进一步拆分。

27、在一些实施方式中，该装置中的单元通过软件实现，装置中的单元是程序模块。在另一些实施例中，该装置中的单元通过硬件或固件实现。第三方面提供的装置的具体细节可参见上述第一方面或第一方面任一种可选方式，此处不再赘述。

28、第四方面，提供了一种计算机设备。该计算机设备包括处理器，处理器与存储器耦合，存储器中存储有至少一条计算机程序指令，至少一条计算机程序指令由处理器加载并执行，以使计算机设备实现上述第一方面或第一方面任一种可选方式所提供的方法。第四方面提供的计算机设备的具体细节可参见上述第一方面或第一方面任一种可选方式，此处不再赘述。

29、第五方面，提供了一种计算机可读存储介质。该存储介质中存储有至少一条指令，该指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述第一方面或第一方面任一种可选方式所提供的方法。

30、第六方面，提供了一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括一个或多个计算机程序指令，当计算机程序指令被计算机加载并运行时，使得计算机执行上述第一方面或第一方面任一种可选方式所提供的方法。

31、上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：起落架三维动画的每一帧由仿真模型当前仿真步长的实时解算结果驱动，三维画面与仿真模型的状态始终保持同步；收放过程各行程阶段的切换时机由仿真模型检测到的到位条件决定，形成“仿真解算—动画驱动—到位反馈—阶段切换”的实时闭环，收放控制逻辑与时序能够在仿真运行过程中被直观地在线验证。