Matlab/FlightGear直升機視景仿真研究

應(yīng) 進，潘浩曼，代冀陽，陸 歡

(南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

對直升機飛行性能的研究和飛行品質(zhì)的評估涉及多門交叉學(xué)科的高、精、尖技術(shù)，是國防建設(shè)迫切需要的研究內(nèi)容，而利用飛行仿真平臺進行研究和評估則是一種經(jīng)濟、有效的途徑。目前，飛行仿真平臺[1]在軍事和民用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，它可以安全地重現(xiàn)多種飛機失效狀態(tài)，有利于研究人員分析和解決相關(guān)難題。但現(xiàn)有的仿真一般只能提供數(shù)值形態(tài)的計算數(shù)據(jù)，不夠直觀，對控制系統(tǒng)中非常見形態(tài)的缺陷很難發(fā)現(xiàn)。針對這些問題，建立更加直觀的三維視景仿真平臺成為直升機飛行仿真的一種發(fā)展趨勢。

筆者在滿足飛控設(shè)計仿真需求的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種Matlab/Simulink環(huán)境下基于FlightGear飛行模擬器軟件的直升機三維視景仿真平臺[2]，主要用于直升機各項結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取以及飛行性能的設(shè)計、測試和優(yōu)化，通過仿真計算來減少設(shè)計定型時間以及實驗中的風險，全面、直觀地展現(xiàn)直升機控制的總體結(jié)構(gòu)、飛行姿態(tài)信息的變化及各種控制算法的控制效果，為科研人員提供一個科學(xué)、有效的綜合分析工具。

1 視景仿真平臺的總體架構(gòu)

本仿真平臺針對直升機視景仿真的特點[3]，自定義通信協(xié)議，使用Matlab/Simulink仿真工具，通過串口UART模塊將直升機飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)在Decode_Box模塊內(nèi)部接收并解碼；然后通過數(shù)據(jù)映射公式對數(shù)據(jù)進行處理；在此基礎(chǔ)上，利用Simulink軟件提供的FlightGear飛行模擬器外部數(shù)據(jù)輸入/輸出API[4]接口，即UDP_FlightGear模塊，將飛行姿態(tài)仿真數(shù)據(jù)通過UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議予以實時傳輸；最終，驅(qū)動FlightGear可視化引擎，實現(xiàn)直升機飛行仿真姿態(tài)數(shù)據(jù)的三維實時可視化顯示[5]?；谏鲜鏊枷霕?gòu)建的仿真平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 視景仿真平臺總體架構(gòu)框圖

2 視景仿真平臺的建立

2.1 自定義通信協(xié)議的原理

針對直升機仿真姿態(tài)數(shù)據(jù)量值多、精度高、更新速度快等固有特點，筆者為本平臺設(shè)計并建立了一套行之有效的通信協(xié)議，在Simulink中采用串入并出的方式實現(xiàn)了仿真數(shù)據(jù)的成功導(dǎo)入。

直升機飛行仿真姿態(tài)數(shù)據(jù)包括：偏航角(Yaw)ψ、俯仰角(Pitch)θ和滾轉(zhuǎn)角(Roll)φ[6]。考慮到仿真的精度要求，每個數(shù)據(jù)采用16位2進制數(shù)據(jù)表示，將Yaw、Pitch、Roll的值分別以高8位Yaw_H、Pitch_H、Roll_H和低8位Yaw_L、Pitch_L、Roll_L的形式存儲。在此基礎(chǔ)上，通過添加數(shù)據(jù)幀頭、幀尾，將數(shù)據(jù)進行有序的編碼，形成自定義通信協(xié)議，系統(tǒng)通過檢測幀頭識別碼定位有效數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的傳輸。協(xié)議的幀格式如表1所示。

表1 自定義通信協(xié)議編碼結(jié)構(gòu)

2.2 通信協(xié)議解碼方法

系統(tǒng)采用自定義通信協(xié)議，以串行幀格式數(shù)據(jù)的形式導(dǎo)入數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)對于串行數(shù)據(jù)采集[7]的切入點是隨機出現(xiàn)的，往往不在第0位CC上，所以如果采用一次性讀取0—10共計11個數(shù)據(jù)，并將前4位與幀頭識別碼進行比對的解碼方式，會造成解碼效率低下、有效數(shù)據(jù)嚴重丟失、系統(tǒng)實時性變差等不良后果。鑒于此，本平臺采用通過“滑動窗口”高效尋找?guī)^并定位有效數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀解碼方法，取得了良好的實際應(yīng)用效果。

該方法可以形象地理解為用一個4孔的窗口“框”在數(shù)據(jù)幀上，通過窗口相對串行數(shù)據(jù)的向右滑動篩選并定位特定的數(shù)據(jù)幀頭識別碼。系統(tǒng)用R0、R1、R2、R3這4個變量保存待檢測串行數(shù)據(jù)，并全部初始化為00。假設(shè)系統(tǒng)采樣點不恰好在幀頭，而是位于幀頭前一位，即隨機值0xFF，程序先判斷邏輯表達式：

If(((R0!=0xCC)&&(R1!=0x33)&&(R2!=

0x06)&&(R3!=0xA1)))

在R0=0xCC、R1=0x33、R2=0x06、R3=0xA1不能同時成立的情況下，程序?qū)⑿陆邮盏降臄?shù)據(jù)保存在R3中，并將R3、R2、R1中原來的數(shù)據(jù)保存位置向R0移動一位，而R0中原有數(shù)據(jù)丟棄，由此得到：

R0 = 0x00；

R1 = 0x00；

R2 = 0x00；

R3 = 0xFF；

第二次接收到數(shù)據(jù)后按照上述程序處理方法得到：

R0 = 0x00；

R1 = 0x00；

R2 = 0xFF；

R3 = 0xCC；

……

第四次解碼處理后：

R0 = 0xCC；

R1 = 0x33；

R2 = 0x06；

R3 = 0xA1；

至此，通過“窗口”滑動的方法篩選出幀頭識別碼，高效定位有效數(shù)據(jù)位置。

“滑動窗口”串行幀格式解碼程序部分代碼如下：

……

if( (R0 != 0xCC)&&(R1 != 0x33)&&

(R2 != 0x06)&&(R3 != 0xA1) )

{

R0 = R1;

R1 = R2;

R2 = R3;

R3 = RX_DATA;

Received = 0;

}

else

Received = 1;

……

2.3 飛行仿真姿態(tài)數(shù)據(jù)的量值適配算法

飛行仿真解碼得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)變化范圍如下：

偏航角ψ：0°～360°；

俯仰角θ：-90°～90°；

滾轉(zhuǎn)角φ：-180°～180°。

但是FlightGear視景軟件輸入驅(qū)動數(shù)據(jù)取值范圍[8]數(shù)值較?。?/p>

偏航角ψ：-3.6～3.6；

俯仰角θ：-1.8～1.8；

滾轉(zhuǎn)角φ：-3.6～3.6。

因此，無法直接使用解碼得到的仿真數(shù)據(jù)，而需要進行量值的轉(zhuǎn)換，其幅值映射公式如下：

Yaw_FG=(((Yaw_H<<8+Yaw_L)/10)*0.2-3.6)

Pitch_FG=((Pitch_H<<8+Pitch_L)/10)*0.2

Roll_FG=((Row_H<<+Roll_L)/10)*0.2

其中Yaw_FG、Pitch_FG、Roll_FG分別代表FlightGear軟件輸入偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。Yaw_H和Yaw_L為依據(jù)上述自定義通信協(xié)議，經(jīng)解碼后得到仿真數(shù)據(jù)偏航角的高8位和低8位[9]。依據(jù)映射公式，將高8位數(shù)據(jù)左移8位后和低8位數(shù)據(jù)做求和運算，得到偏航角數(shù)據(jù)，幅值0.0～360.0，精度0.1°。經(jīng)過偏航角數(shù)據(jù)還原，先將數(shù)值縮小10倍，幅值限制在0～36.0，再將得到的值縮小到原來的1/5倍，此時幅值范圍為0.00～7.20，最終通過做差運算減3.6，將偏航角的變化范圍映射到-3.60～3.60之間。同理，通過類似運算轉(zhuǎn)換，將俯仰角變化范圍映射到-1.80～1.80，滾轉(zhuǎn)角變化范圍映射到-3.60～3.60，滿足FlightGear軟件數(shù)據(jù)輸入要求。

2.4 FlightGear視景軟件UDP端口的設(shè)置

FlightGear作為一款優(yōu)秀的開源飛行模擬器[10]，為用戶預(yù)留了多種輸入輸出接口，方便用戶對其功能進行擴展。FlightGear的輸入信息為直升機六自由度信息，根據(jù)設(shè)計方案，使用FlightGear飛行模擬器接收外部數(shù)據(jù)驅(qū)動視景模塊，顯示直升機飛行姿態(tài)。作為UDP網(wǎng)絡(luò)通信的一端，需要對FlightGear的網(wǎng)絡(luò)端口進行設(shè)置。

FlightGear飛行模擬器自身具備了完善的網(wǎng)絡(luò)通信能力，只需要在設(shè)置面板上對網(wǎng)絡(luò)通信的參數(shù)進行設(shè)置，即可完成飛行仿真系統(tǒng)的UDP網(wǎng)絡(luò)通信[11]。首先進入FlightGear飛行模擬器的設(shè)置界面，選擇Advanced Options選項，進入選項卡。

在選項卡中選擇Input/Output選項，再選擇native-fdm協(xié)議[12]、UDP通信模式，設(shè)定該協(xié)議為輸出，選擇主機名為仿真軟件設(shè)定的靜態(tài)IP，更新率為20 Hz，指定端口為5000；選擇native-ctrls協(xié)議、UDP通信模式，設(shè)定該協(xié)議為輸入，其余設(shè)置與前面相同。然后點擊“OK”即可完成FlightGear飛行模擬器的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置。

3 系統(tǒng)仿真效果

在解決模塊間通信、姿態(tài)數(shù)據(jù)解碼和姿態(tài)數(shù)據(jù)量值適配的基礎(chǔ)上，以BO105直升機[13]為例，對其動力學(xué)模型相應(yīng)的飛行控制器的控制效果進行驗證，并最終通過FlightGear飛行模擬器三維視景輔以傳統(tǒng)的波形輸出予以展現(xiàn)。系統(tǒng)Simulink工程如圖2所示。

圖2 視景仿真系統(tǒng)Simulink工程

圖3、圖4、圖5分別是視景仿真平臺運行中直升機3D模型在外部飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動下從不同視角的顯示效果。

圖3 直升機3D模型仰視圖

圖4 直升機3D模型側(cè)視圖

圖5 直升機3D模型后視圖

在進行直升機三維顯示的同時，飛行器的姿態(tài)信息還以波形的形式予以輔助呈現(xiàn)。圖6顯示了仿真平臺運行過程中直升機的Yaw、Pitch、Roll飛行姿態(tài)信息。

圖6 直升機俯仰角θ、偏航角Ψ、滾轉(zhuǎn)角φ

在整個仿真過程中，直升機飛行姿態(tài)清晰直觀，再輔以波形顯示，使飛行控制器對飛行器動力學(xué)模型的控制效果得到了很好的展現(xiàn)，達到了預(yù)期設(shè)計目標。

4 結(jié)束語

本文在Matlab/Simulink環(huán)境下綜合運用多種工具軟件，設(shè)計并實現(xiàn)了一個功能完善的Matlab環(huán)境下基于FlightGear視景的直升機飛控仿真研究平臺。通過BO105直升機的飛行仿真實例表明，本飛控仿真平臺能夠很好地展現(xiàn)飛行仿真中飛行器姿態(tài)信息等相關(guān)數(shù)據(jù)，且使用方便、易于維護。此平臺具有很好的擴展性，經(jīng)過修改還可用于車輛、導(dǎo)彈、船舶等視景仿真，有著廣闊的應(yīng)用前景，目前此仿真平臺運行狀態(tài)良好。

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