基于Flightgear輕型飛機(jī)動(dòng)力學(xué)三維視景仿真研究

侯玉潔 院老虎

【摘 要】飛行控制與管理計(jì)算是飛行器飛行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件，因此，基于 Flightgear 開發(fā)輕型飛機(jī)的三維可視仿真系統(tǒng)勢在必行。本文對仿真系統(tǒng)進(jìn)行了具體分析，為了動(dòng)力學(xué)的控制算法的研究以及飛行器的試飛工作提供一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立基于 Flightgear飛行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境。通過仿真系統(tǒng)做大量的測試研究，應(yīng)用至輕型飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中。對飛行性能進(jìn)行評估并降低試飛的風(fēng)險(xiǎn)和成本，具有結(jié)構(gòu)簡單造價(jià)低廉的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】Flightgear 輕型飛機(jī) 動(dòng)力學(xué) 仿真

基于Flightgear動(dòng)力學(xué)三維視景仿真是以輕型飛機(jī)為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對飛行器進(jìn)行飛行規(guī)律的研究。采用動(dòng)力學(xué)分析理論結(jié)合 OpenGL 三維動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)，對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)三維視景仿真。利用 Flightgear 開放平臺(tái)進(jìn)行飛行可視仿真，建立各部分的動(dòng)力學(xué)分析模型。在飛行器真正試飛之前，對飛機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析。構(gòu)建全功能、全動(dòng)態(tài)的三維可視飛行仿真系統(tǒng)，解決目前因缺少高置信度動(dòng)力學(xué)模型致使一些控制律設(shè)計(jì)工作無法有效開展的問題。

1輕型飛機(jī)動(dòng)力學(xué)三維可視仿真研究背景與現(xiàn)狀

仿真測試設(shè)備是在某輕型飛機(jī)六自由度非線性數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)仿真的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行三維可視模型的設(shè)計(jì)。在飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)周期內(nèi)需要檢驗(yàn)飛行控制系統(tǒng)的正確性與可靠性，利用 Flightgear 完成飛行日志的記錄和視頻的回放。鑒于現(xiàn)階段國內(nèi)的動(dòng)力學(xué)分析中，系統(tǒng)實(shí)施所需要的軟硬件環(huán)境和實(shí)施過程。除了非線性動(dòng)力響應(yīng)分析以外，還需考慮多門交叉學(xué)科的高、精、尖技術(shù)。根據(jù)總體模態(tài)及其特征值結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)特性、控制算法等，建立一套可行可靠的飛行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境。驗(yàn)證飛行器的控制律設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)飛行控制系統(tǒng)的功能和性能。

2輕型飛機(jī)三維可視仿真研究的理論基礎(chǔ)

輕型飛機(jī)與大飛行器相比有明顯的差異，動(dòng)力學(xué)模型通常不能直接利用靜力分析。它的總體響應(yīng)及其動(dòng)載荷都是新的研究領(lǐng)域，在模態(tài)分析時(shí)將會(huì)引入局部振動(dòng)模態(tài)和頻率。各項(xiàng)參數(shù)以及飛行性能等的設(shè)計(jì)、測試需要進(jìn)一步優(yōu)化，給以后的響應(yīng)分析帶來麻煩。因此開發(fā)飛行仿真軟件以減少設(shè)計(jì)定型時(shí)間以及實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)險(xiǎn)，通過傳感器仿真和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（操縱舵面）的動(dòng)力學(xué)特性仿真來進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行控制。

（1）三維可視化的研究是一個(gè)很重要的研究方向，其中模態(tài)分析的結(jié)果對各種響應(yīng)分析將起決定性影響。建立視覺仿真系統(tǒng)，通過遙控/遙測控制臺(tái)用于對飛行控制計(jì)算機(jī)發(fā)送遙控指令。三維視景顯示能夠直觀、動(dòng)態(tài)的再現(xiàn)飛行過程，控制飛行模態(tài)。飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行有利于發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的缺陷，制訂動(dòng)力學(xué)分析模型的簡化原則。對總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)情況產(chǎn)生直觀的形象顯示，減少實(shí)際試飛中產(chǎn)生的一些錯(cuò)誤的結(jié)果。系統(tǒng)的運(yùn)行情況表明，F(xiàn)lightgear豐富的可視化界面為仿真提供了友好的監(jiān)控界面。

（2）飛行控制技術(shù)是一門新興學(xué)科，其重要程度不言而喻。以某輕型飛機(jī)的三維模型為基礎(chǔ)對其進(jìn)行仿真分析，及時(shí)進(jìn)行修正。在總體仿真中計(jì)算其固有模態(tài)，體現(xiàn)飛行時(shí)位置、姿態(tài)的變化及各種控制算法的控制作用。輕型飛機(jī)具有較強(qiáng)的非線性特性，以此掌握飛行器的控制方法。各通道存在很強(qiáng)的耦合，有效控制可以降低試飛的風(fēng)險(xiǎn)和成本。隨著一些新技術(shù)的出現(xiàn)，科研試飛行控制仿真系統(tǒng)其主要難點(diǎn)還是在于行控制系統(tǒng)對軟件執(zhí)行的實(shí)時(shí)性。輕型飛機(jī)還有力地推動(dòng)了飛行仿真系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，有其它飛行器無法取代的作用。

（3）基于 Flightgear自帶動(dòng)力學(xué)模型的飛行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境，根據(jù)仿真目的達(dá)到非常逼真的仿真效果。在進(jìn)行輕型飛機(jī)科研試飛過程中，盡管采用多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)但仍然會(huì)出現(xiàn)一些問題。所以結(jié)合計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)建立較為準(zhǔn)確的飛行動(dòng)力學(xué)模型，使用動(dòng)力學(xué)模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)各種模型進(jìn)行飛行仿真。避免造成由于飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生的損失，具有很高的實(shí)時(shí)性。開發(fā)了可視化的客戶端界面，并且為下一步的飛機(jī)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性、固有特性和顫振特性分析打下基礎(chǔ)。完成了飛行器模型的載入、定位、數(shù)據(jù)處理以及 FlightGear 與數(shù)據(jù)模塊的通信過程，減少實(shí)際試飛中產(chǎn)生的一些錯(cuò)誤的結(jié)果。

3 Flightgear 的框架結(jié)構(gòu)及仿真環(huán)境

Flightgear框架結(jié)構(gòu)主要包括四大組件： OpenGL、Plib、SimGear和 Flightgear Based Simulation，共同為輕型飛機(jī)的控制算法的研究以及飛行器的試飛工作提供一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。Flightgear作為一個(gè)通用的飛行模擬系統(tǒng)，其仿真系統(tǒng)可以做大量的測試研究工作。各模塊之間關(guān)系基于 Flightgear的飛行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境，結(jié)合圖形處理與圖像生成技術(shù)建設(shè)動(dòng)力學(xué)模型。

（1）Flightgear是一款由全世界志愿者共同開發(fā)和維護(hù)的開源飛行模擬軟件，是計(jì)算機(jī)技術(shù)， 音響技術(shù)，控制技術(shù)等多種高科技的結(jié)合。Flightgear從最初粗糙的空氣動(dòng)力學(xué)模型開始，延伸人類感覺器官。采用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，逐漸引入了自然特性 （陽光、月光和星光等）、天氣特性 （云、霧和風(fēng)等）、 平顯、儀表板、電子導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)場與跑道以及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)操作等眾多特性。構(gòu)造仿真對象的三維模型再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境，對飛機(jī)空氣動(dòng)力特性進(jìn)行仿真。顯著改善科研試飛次數(shù)，在輕型飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的研制過程中起到不可磨滅的作用。

（2）現(xiàn)在的實(shí)時(shí)三維計(jì)算無論在硬件方面還是配套軟件方面都已經(jīng)比較成熟，其中Flightgear各模塊中動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部分。結(jié)合良好的集成開發(fā)環(huán)境（如微軟 Visual Studio），通過模擬飛行器不同部分的氣流方法進(jìn)行仿真解算。其目的都是在飛行器真正試飛之前，對飛行控制系統(tǒng)的輸入做出反應(yīng)。即在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對飛行器進(jìn)行飛行規(guī)律的研究，是較復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng)。利用工作站建立仿真工作平臺(tái)，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)輕型飛機(jī)工程化和實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一。

參考文獻(xiàn)：

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大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目：項(xiàng)目名稱：基于Flightgear輕型飛機(jī)動(dòng)力學(xué)三維視景仿真研究，項(xiàng)目編號：DXC140111。