基于FlightGear的三維可視化飛行控制仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

楊?yuàn)檴?，?彪

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016)

基于FlightGear的三維可視化飛行控制仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

楊?yuàn)檴?，?彪

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016)

以某種典型的六自由度固定翼飛機(jī)模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并建立了基于FlightGear的三維可視化飛行控制仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)基于Matlab/Simulink編寫(xiě)飛機(jī)模型仿真和飛行控制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)界面，并與FlightGear直接對(duì)接，實(shí)時(shí)顯示三維立體飛行場(chǎng)景，展現(xiàn)飛行控制過(guò)程。平臺(tái)界面實(shí)時(shí)顯示飛行狀態(tài)變量曲線，與飛行場(chǎng)景對(duì)應(yīng)，增強(qiáng)數(shù)學(xué)變量與其物理含義之間的相關(guān)性，提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的直觀理解。平臺(tái)具有很強(qiáng)的開(kāi)放性，可以由教師演示操作，也可以由學(xué)生主導(dǎo)交互，分步驟分難度讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)，有效提高學(xué)生綜合運(yùn)用飛行控制理論的能力。

飛行控制系統(tǒng)； 三維可視化； 開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

0 引 言

飛行器控制系統(tǒng)作為飛行器的神經(jīng)中樞，其可靠性、穩(wěn)定性及精確度是飛行器安全飛行和執(zhí)行任務(wù)成功與否的重要保障[1]。因此飛行控制系統(tǒng)課程是航空航天院校自動(dòng)控制專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，此課程內(nèi)容具有理論性、系統(tǒng)性，同時(shí)又有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。但是在理論講授時(shí)，由于過(guò)于抽象和對(duì)空間想象力的要求過(guò)高，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程理解不透徹，難以形成形象和直觀的認(rèn)識(shí)[2]。因此，高校實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)與專業(yè)方向緊密結(jié)合，才能為培養(yǎng)飛行控制專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)的創(chuàng)新型人才提供支撐[3]。

目前，國(guó)內(nèi)各高校自動(dòng)控制專業(yè)也在建立飛行控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上有很大發(fā)展。空軍工程學(xué)院[4]和沈陽(yáng)航空航天大學(xué)[5]等高校均建立了針對(duì)各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求的飛行控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。但這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)專業(yè)性和針對(duì)性過(guò)強(qiáng)，開(kāi)放性不夠好，不能廣泛應(yīng)用于控制類本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且不具備三維可視化能力，直觀性較差。

而如今，國(guó)內(nèi)外各大航空企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，均在建立和發(fā)展飛機(jī)可視化仿真實(shí)驗(yàn)室上取得了較大成績(jī)，對(duì)飛機(jī)的研制、培訓(xùn)和使用起到了重大作用。其中，作為國(guó)際最著名的跨平臺(tái)開(kāi)源飛行模擬軟件之一，F(xiàn)lightGear不但以其強(qiáng)大真實(shí)的飛行仿真功能吸引了眾多的飛行模擬愛(ài)好者，而且其開(kāi)放式的程序構(gòu)架和預(yù)留的外部數(shù)據(jù)輸入/輸出接口，也贏得了專業(yè)用戶的青睞，成為眾多國(guó)外大學(xué)的飛行仿真可視化引擎[6]。Illinois大學(xué)將其用于飛行結(jié)冰過(guò)程的仿真可視化平臺(tái)開(kāi)發(fā)[7]；Wales大學(xué)則在飛控系統(tǒng)仿真中，利用FlightGear引擎實(shí)現(xiàn)了可視化仿真環(huán)境[8]。

目前，我校學(xué)生在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中，也已開(kāi)始使用FlightGear軟件，但由于沒(méi)有進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使用便利程度和深度均存在很大的不足，因此需要實(shí)驗(yàn)室教師結(jié)合經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論[9-10]，理論結(jié)合實(shí)際，將飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和FlightGear軟件相結(jié)合，搭建飛行控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

針對(duì)此問(wèn)題，本文擬基于典型的固定翼飛機(jī)模型，建立一個(gè)三維可視化飛行控制仿真與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過(guò)該教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行飛行器控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及其三維可視化顯示，使學(xué)生能更直觀、更形象地理解在飛行控制系統(tǒng)課程中學(xué)習(xí)到的理論和方法，并通過(guò)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自行進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，真正做到理論與實(shí)際相結(jié)合，學(xué)會(huì)應(yīng)用理論來(lái)進(jìn)行實(shí)際飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可為自動(dòng)控制、探測(cè)與制導(dǎo)及機(jī)械自動(dòng)化等專業(yè)的本科生培養(yǎng)提供實(shí)驗(yàn)條件。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體架構(gòu)

本仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選取一款典型固定翼飛機(jī)為控制對(duì)象，使用Matlab/Simulink工具編寫(xiě)飛行器仿真模型并設(shè)計(jì)飛行控制器和實(shí)驗(yàn)界面，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 接口，即UDP＿FlightGear 模塊，將飛行姿態(tài)仿真數(shù)據(jù)通過(guò)UDP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議予以實(shí)時(shí)傳輸；最終，驅(qū)動(dòng)FlightGear 可視化引擎，實(shí)現(xiàn)固定翼飛行仿真姿態(tài)數(shù)據(jù)的三維實(shí)時(shí)可視化仿真實(shí)驗(yàn)?；谏鲜鏊枷霕?gòu)建的仿真平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

2.1飛機(jī)模型的建立

飛機(jī)模型為一個(gè)典型的六自由度固定翼飛機(jī)模型，其模型基于12階運(yùn)動(dòng)方程建立[11-12]，其氣動(dòng)參數(shù)如表1所示。

圖1 基于FlightGear三維可視化飛行控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

表1 飛機(jī)模型的氣動(dòng)參數(shù)

仿真模型基于Simulink中S-function技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，方便使用m語(yǔ)言描述飛機(jī)的氣動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)變化，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜非線性的多輸入多輸出系統(tǒng)模型，便于集成封裝和模塊化。

輸入分別為升降舵、副翼、方向舵和發(fā)動(dòng)機(jī)油門，其特性如表2所示。

表2 飛機(jī)模型的輸入

其輸出值和范圍如表3所示。

表3 飛機(jī)模型的輸出

2.2實(shí)驗(yàn)界面二級(jí)標(biāo)題

實(shí)驗(yàn)界面基于Matlab編寫(xiě)，如圖2所示，分為兩部分，左邊是飛控設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)操作流程，右邊是飛控設(shè)計(jì)步驟中的參數(shù)和曲線顯示窗口。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既可以開(kāi)展難度低的演示和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，也可以開(kāi)展難度高的自主控制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以針對(duì)不同學(xué)習(xí)程度的學(xué)生。

圖2 飛行控制實(shí)驗(yàn)界面

飛控設(shè)計(jì)步驟中目前開(kāi)放了配平和控制器參數(shù)設(shè)計(jì)兩步，其余部分也會(huì)根據(jù)使用情況逐步開(kāi)放。為了直觀顯示設(shè)計(jì)的效果，在界面中將設(shè)計(jì)和結(jié)果(輸出參數(shù)的曲線)放在了同一個(gè)界面中。而仿真控制又分為了實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)仿真，非實(shí)時(shí)仿真是用于快速驗(yàn)證參數(shù)的正確性，實(shí)時(shí)仿真則是和FlightGear連接起來(lái)驗(yàn)證參數(shù)的正確性和三維立體觀察飛機(jī)的控制過(guò)程。

2.3飛機(jī)控制器設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟

在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的界面中，學(xué)生通過(guò)一步一步的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以直觀完整地感受到飛行控制設(shè)計(jì)的過(guò)程，從而幫助學(xué)生將書(shū)本中的理論聯(lián)系到工程實(shí)際。

(1) 配平。飛機(jī)配平是飛行控制器設(shè)計(jì)中的第一步驟，在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中開(kāi)放給學(xué)生自主設(shè)計(jì)。圖2實(shí)驗(yàn)界面中給出了一個(gè)設(shè)計(jì)示例，可用于演示實(shí)驗(yàn)。

示例中選擇的狀態(tài)點(diǎn)為高度2 km，速度200 m/s，在該狀態(tài)下進(jìn)行配平。其姿態(tài)為俯仰角1.5°，其他姿態(tài)角都為0°。俯仰角為1.5°，側(cè)滑角為0°。軌跡角為0°，飛行器處于定直平飛狀態(tài)。

配平工作可以使用Matlab提供的trim函數(shù)完成，也可以由學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識(shí)自己編寫(xiě)配平程序代碼完成，從而適用于不同水平、不同需求的學(xué)生。類似地，在配平基礎(chǔ)上進(jìn)行小擾動(dòng)線化，可以使用Matlab提供的linmode函數(shù)完成，也可以由學(xué)生自己手動(dòng)完成，從而獲得被控對(duì)象的狀態(tài)空間模型矩陣。可見(jiàn)，配平設(shè)計(jì)直接影響到模型的線性化和后期控制律的設(shè)計(jì)，這是非常重要的一個(gè)步驟，應(yīng)該讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)以真實(shí)感受重要性。

(2) 控制器參數(shù)設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)飛行控制律時(shí)，學(xué)生們可以應(yīng)用所學(xué)的經(jīng)典控制理論，也可以應(yīng)用現(xiàn)代控制理論完成。同時(shí)，本平臺(tái)中已經(jīng)基于之前配平步驟中的配平參數(shù)和經(jīng)典飛行控制設(shè)計(jì)理論資料[11-12]計(jì)出了一個(gè)控制器示例用于演示，便于初學(xué)者參考，并且該控制器中的參數(shù)已經(jīng)開(kāi)放出來(lái)，供學(xué)生自行整定、鍛煉，如圖2右下角所示。

2.4FlightGear視景軟件的連接

本平臺(tái)中采用了開(kāi)源軟件FlightGear來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的三維顯示，該軟件具備代碼開(kāi)放和場(chǎng)景逼真的優(yōu)點(diǎn)，并且接口簡(jiǎn)單，僅通過(guò)UDP協(xié)議就可以實(shí)現(xiàn)交互[13-14]。

(1) FlightGear數(shù)據(jù)發(fā)送模塊建立。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊基于Matlab/Simulink建立，該模塊主要由數(shù)據(jù)處理、FlightGear組幀和UDP數(shù)據(jù)發(fā)送3個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)處理部分負(fù)責(zé)將輸入的飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后連接到FlightGear組幀的模塊上，由UDP數(shù)據(jù)發(fā)送部分將完成組幀的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)模塊如圖3所示。

本平臺(tái)中使用Native-fdm數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。Native-fdm協(xié)議是FlightGear中定義的一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)協(xié)議，協(xié)議的格式封裝在”Pack net_fdm Packet for FlightGear”模塊中，該協(xié)議中包含了視景中所需的所有數(shù)據(jù)。然后即可通過(guò)UDP將數(shù)據(jù)發(fā)送給FlightGear，發(fā)送通過(guò)Matlab提供的” Send net_fdm Packet to FlightGear”模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊能夠?qū)凑課et_fdm數(shù)據(jù)協(xié)議組好幀的數(shù)據(jù)通過(guò)UDP發(fā)送給FlightGear。

(2) FlightGear接口設(shè)置。FlightGear 作為一款優(yōu)秀的開(kāi)源飛行模擬器，為用戶預(yù)留了多種輸入輸出接口，方便用戶對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展[15]。FlightGear 的輸入信息為六自由度固定翼飛行器的信息，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，使用FlightGear飛行模擬器接收外部數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)視景模塊，顯示飛行姿態(tài)。作為UDP 網(wǎng)絡(luò)通信的一端，需要對(duì)FlightGear的I/O接口進(jìn)行設(shè)置。 FlightGear軟件I/O接口設(shè)置如圖4，其中Protocol設(shè)置為Native-fdm； Medium設(shè)置為socket； Hz設(shè)置為100；Direction設(shè)置為in；端口選擇5502；選擇UDP模式。

圖3 FlightGear數(shù)據(jù)發(fā)送模塊框圖

圖4 FlightGear軟件接口設(shè)置

3 三維實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)演示

本文以控制飛機(jī)高度為例展示平臺(tái)的易用性。飛機(jī)初始設(shè)定的高度為2 km，仿真時(shí)間100 s，設(shè)定期望改變飛機(jī)的高度到1.5 km，然后開(kāi)始實(shí)時(shí)仿真。FlightGear中的運(yùn)行場(chǎng)景如圖5所示，圖中可見(jiàn)飛機(jī)升降舵上偏，給飛機(jī)一個(gè)向下的力矩，飛機(jī)向下轉(zhuǎn)動(dòng)，非常直觀生動(dòng)。同時(shí)，飛機(jī)高度的響應(yīng)曲線如圖6所示，飛機(jī)俯仰角的響應(yīng)曲線如圖7所示，圖中曲線在數(shù)值上分別給出高度下降和飛機(jī)低頭的過(guò)程，從而使學(xué)生能夠把控制量到物理量的轉(zhuǎn)換、控制量到物理現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，理解更深刻。

圖5 FlightGear運(yùn)行場(chǎng)景

圖6 高度響應(yīng)曲線

圖7 俯仰角響應(yīng)曲線

值得注意的是，上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，既可以由教師在課堂上演示，也可以由學(xué)生自己整定參數(shù)，甚至是設(shè)計(jì)控制律，以便有更深切的體會(huì)。

4 開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

本飛行控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既可以完成驗(yàn)證和演示飛行控制原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同學(xué)習(xí)程度的學(xué)生開(kāi)展不同難度的自主設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)結(jié)果可以在FlightGear軟件里實(shí)時(shí)三維直觀顯示。

可以開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：①飛機(jī)配平和單通道姿態(tài)(滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)(驗(yàn)證和設(shè)計(jì))；②飛機(jī)縱向姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)(驗(yàn)證和設(shè)計(jì))；③飛機(jī)橫側(cè)向姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)(驗(yàn)證和設(shè)計(jì))；④飛機(jī)高度控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)(驗(yàn)證和設(shè)計(jì))；⑤飛機(jī)速度控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)(驗(yàn)證和設(shè)計(jì))。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了提高學(xué)生對(duì)飛行控制原理的三維立體直觀的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)飛行控制設(shè)計(jì)理論的理解，鍛煉自主設(shè)計(jì)飛行控制器的能力，開(kāi)發(fā)了一套基于FlightGear的三維可視化飛行控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在該平臺(tái)上，通過(guò)三維立體實(shí)時(shí)顯示、控制器設(shè)計(jì)，讓學(xué)生對(duì)飛行控制理論有一個(gè)全面的系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和把握，完成一個(gè)分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證的全過(guò)程，理論結(jié)合實(shí)際，為以后開(kāi)展復(fù)雜的飛行控制研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Flight Control Experimental Platform Based on FlightGear Simulator

YANGShanshan,WANGBiao

(College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Based on a classic six-degree fixed wing aircraft,a flight control experimental platform based on FlightGear simulator is presented in this paper.Aircraft model and flight control GUI are written based on Matlab/Simulink,and flight simulation data are fed to the FlightGear simulator through its I/O port,then the real-time 3D visual flight simulation is implemented.At the meantime,the curves of the flight parameters are obtained in the flight GUI,the relevance between mathematical variables and their physical meanings can be enhanced and the understanding of the linking theory with practical can be improved.The simulator presented in this paper has high openness,and can be not only operated by teachers for demonstration but also can be used by students for designing flight systems with different difficulty rating.Therefore,the ability of the application of the aircraft control theory can be advanced.

flight control system; three-dimensional visualization; open type experimental platform

2016-11-15

南京航空航天大學(xué)“實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目(2015050300015842)

楊?yuàn)檴?1983-)，女，江蘇鹽城人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事飛行控制、自動(dòng)控制原理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

Tel.：025-84892035×812；E-mail：shanshankitty@nuaa.edu.cn

TP 273;V 249.1

：A

：1006-7167(2017)07-0113-05