無(wú)人機(jī)全數(shù)字仿真的Flightgear三維顯示

錢偉

本文介紹了無(wú)人機(jī)三維顯示需求，介紹了Flightgear軟件的功能和使用特點(diǎn)，建立了無(wú)人機(jī)數(shù)字仿真模型，并基于仿真模型和Flightgear軟件，采用udp網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議建立了二者之間的連接，將無(wú)人機(jī)仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)紽lightgear軟件，驅(qū)動(dòng)Flightgear中無(wú)人機(jī)模型、場(chǎng)景模型等的實(shí)時(shí)運(yùn)行，完成無(wú)人機(jī)的三維實(shí)時(shí)顯示工作。

無(wú)人機(jī)在試飛之前需要對(duì)各個(gè)系統(tǒng)部件進(jìn)行大量的測(cè)試和仿真，以檢測(cè)系統(tǒng)的控制部分的極性、邏輯、量值等等，但是有時(shí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試并不直觀，容易使人忽略重要的細(xì)節(jié)。例如，某型無(wú)人機(jī)在地面測(cè)試時(shí)一切正常，但在起飛后全自主飛行過程中，發(fā)生了一加自主飛行功能就向北飛的現(xiàn)象。發(fā)生這一現(xiàn)象的原因是程序員在設(shè)計(jì)航路時(shí)，將無(wú)人機(jī)所用磁航向傳感器的單位弄錯(cuò)，弧度當(dāng)成了角度。最終雖然依靠人工手動(dòng)將其控制返航，依然表明了傳統(tǒng)的測(cè)試存在盲區(qū)。如果能加入仿真的實(shí)時(shí)顯示功能，將無(wú)人機(jī)沿著航路模擬飛行的經(jīng)緯度高度、速度、姿態(tài)角、實(shí)時(shí)舵面值等，以以無(wú)人機(jī)三維運(yùn)動(dòng)的形式直觀地反映出來(lái)，可使系統(tǒng)測(cè)試人員直接看到無(wú)人機(jī)能否完成航路、是否存在問題。Flightgear軟件是一款開源飛行軟件，內(nèi)部集成了多款飛機(jī)模型數(shù)據(jù)，具有良好的人機(jī)界面，容易進(jìn)行二次開發(fā)，并可接收外部傳送過來(lái)的飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行，是無(wú)人機(jī)全數(shù)字仿真和地面測(cè)試階段三維顯示的較好選擇。

無(wú)人機(jī)三維顯示需求

目前我們的無(wú)人機(jī)無(wú)論是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室仿真或外場(chǎng)飛行試驗(yàn)，一般都能拿到較為準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性也較強(qiáng)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行的各種信息，如GPS經(jīng)緯度、高度等定位信息;無(wú)人機(jī)俯仰角、滾轉(zhuǎn)角等姿態(tài)角信息;三軸加速度信息、舵面控制量及反饋量信息等等。按照以往經(jīng)驗(yàn)，有了這些信息，如需對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行性能進(jìn)行分析，可以對(duì)各路信息分別匯總，繪出曲線，即能較直觀地看出參數(shù)的數(shù)值走向和有無(wú)異常等。有時(shí)也需要視頻信息，以記錄那些測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試不到的細(xì)節(jié)，則要另外增加價(jià)格昂貴的高清長(zhǎng)焦攝像機(jī)，但攝像機(jī)也存在無(wú)法拍到或拍攝不清晰的問題，且有時(shí)從成百上千幀視頻圖像中也難以找到有用線索。

Flightgear軟件介紹

自從David于1997年發(fā)布了Flightgear軟件第一個(gè)跨平臺(tái)版本之后，從最初比較粗糙的空氣動(dòng)力學(xué)模型開始，逐漸增加了更多的特性如環(huán)境特性、跑道特性、場(chǎng)景特效、屏幕顯示、儀表臺(tái)、導(dǎo)航塔臺(tái)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及串口互聯(lián)等，也支持多機(jī)編隊(duì)飛行和多人空中對(duì)戰(zhàn)模式，更突出的是，此軟件為開源軟件，用戶可以自行定義通訊協(xié)議、飛機(jī)模型、顯示模式等，可以添加自己繪制的飛機(jī)模型進(jìn)行飛行，動(dòng)力學(xué)模型可采用系統(tǒng)自帶也可自己編寫，并通過matlab-simulink軟件或者其他仿真軟件與Flightgear進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，驅(qū)動(dòng)飛機(jī)模型的飛行。該軟件具有跨平臺(tái)、多場(chǎng)景、開放性等特點(diǎn)，擴(kuò)展性特別強(qiáng)，且對(duì)計(jì)算機(jī)和顯卡的要求不高，一般計(jì)算機(jī)的集成顯卡即可滿足要求。Flightgear軟件部分特點(diǎn)如下：

飛行動(dòng)力學(xué)模型

Flightgear在3個(gè)主要的飛行動(dòng)力學(xué)模型之間選擇，可以添加新的動(dòng)力學(xué)模型，甚至接入外部“專有的”飛行動(dòng)力學(xué)模型：

JSBSim：JSBSim是一個(gè)開源飛行動(dòng)力學(xué)模型（FDM）軟件庫(kù)，用于對(duì)飛行器的飛行動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模，用C + +編寫。JSBSim可以在獨(dú)立模式下批處理運(yùn)行，飛機(jī)模型以XML文件配置，其中包括飛機(jī)的質(zhì)量平衡、空氣動(dòng)力學(xué)、飛行控制屬性、大氣模型等。

YASim：YASim模型使用飛機(jī)的幾何形狀來(lái)生成基礎(chǔ)飛行特性，可快速構(gòu)建飛機(jī)行為，無(wú)需所有傳統(tǒng)的氣動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是一種粗略的近似，在得到接近現(xiàn)實(shí)的結(jié)果之前，需要進(jìn)行很多調(diào)整。如果飛機(jī)有可靠的飛行數(shù)據(jù)，例如風(fēng)洞數(shù)據(jù)，或者希望最終生成逼真的模擬，那么JSBSim是更好的方法。但是如果缺乏這樣的數(shù)據(jù)，又知道飛機(jī)的幾何形狀，并且能夠像真正的飛行員那樣訪問相同的飛行特性和極限，那么YASim提供了一種解決方案，這對(duì)于大多數(shù)仿真需求來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

UIUC：這個(gè)飛行動(dòng)態(tài)模型是基于 LaRCsim，最初是美國(guó)國(guó)家宇航局寫的。通過使用飛行器配置文件來(lái)擴(kuò)充代碼。.UIUC使用查表法來(lái)檢索飛機(jī)部件的氣動(dòng)力和力矩系數(shù)，然后用這些系數(shù)來(lái)計(jì)算力和力矩作用在飛機(jī)上的總和。

全面而精確的地景風(fēng)景數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)包含超過20，000個(gè)真實(shí)地景的世界機(jī)場(chǎng)。具有和現(xiàn)實(shí)相同的跑道、跑道標(biāo)志、位置和進(jìn)近燈光。也適用于較大的機(jī)場(chǎng)滑行道（在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候甚至包括綠色中線燈）和傾斜跑道。定向機(jī)場(chǎng)照明能成功地改變強(qiáng)度及操作者相對(duì)方向變化。

準(zhǔn)確和全面的天空模型

Flightgear軟件可以實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間跟蹤，并基于當(dāng)前時(shí)間正確的放置太陽(yáng)、月亮相對(duì)于當(dāng)前地球坐標(biāo)的位置。例如當(dāng)前時(shí)間和地點(diǎn)是黎明的成都，那么太陽(yáng)、月亮、星星和行星等在天空中都遵循正確的相對(duì)位置。這個(gè)建?？紤]季節(jié)性影響，使用24小時(shí)制，甚至在北極圈以北，也放置太陽(yáng)與月球的正確位置，給人以身臨其境的感覺。

靈活和開放的飛機(jī)建模系統(tǒng)

Flightgear具有模擬各種飛行器的能力?？梢阅M飛行1903年萊特飛行器、“撲翼”飛行器、飛艇、波音747和空客A320飛機(jī)，以及各種軍用飛機(jī)等，F(xiàn)lightgear具有模擬幾乎一切飛機(jī)的能力。Flightgear的飛行環(huán)境也很完備，飛機(jī)設(shè)計(jì)師可以打造逼真、具有完美動(dòng)態(tài)效果、完全互動(dòng)的3D駕駛艙。Flightgear還可以準(zhǔn)確模擬許多儀器和系統(tǒng)故障，例如Gps故障、大氣傳感器故障等。如果設(shè)置故障，則飛機(jī)會(huì)根據(jù)故障進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

低廉的硬件要求

Flightgear著眼現(xiàn)實(shí)仿真等方面的研究，但是軟件本身對(duì)電腦硬件的需求并不強(qiáng)。如果你的電腦配置非常好，你會(huì)的到更加好的視覺效果，但是如果你的電腦配置一般，雖然視覺效果不會(huì)特別好，但是你同樣可以得到一個(gè)非常流暢的飛行感受。

內(nèi)部特征

Flightgear允許用戶和飛機(jī)設(shè)計(jì)師通過內(nèi)部和外部訪問機(jī)制獲取大量的內(nèi)部狀態(tài)變量。這些狀態(tài)變量被組織成一個(gè)方便的層次“屬性”樹。使用屬性樹可以監(jiān)視Flightgear內(nèi)部任何狀態(tài)變量。可以從外部腳本遠(yuǎn)程控制Flightgear的運(yùn)行?？梢詢H通過編輯一個(gè)少數(shù)人可讀的配置文件來(lái)創(chuàng)建模型動(dòng)畫、音效、動(dòng)畫工具和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等任何能想到的情況。這是一個(gè)功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，使Flightgear更加靈活、可配置、適應(yīng)性更強(qiáng)。

通訊

通用輸入/輸出選項(xiàng)允許用戶自己定義輸入輸出協(xié)議文件，選擇采用串口或網(wǎng)絡(luò)客戶端。如果所有實(shí)例正在運(yùn)行在同一幀率，可以得到非常好的互相之間的緊密同步顯示。可以使用FlightGear在局域網(wǎng)進(jìn)行多機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊，練習(xí)編隊(duì)飛行或?qū)?zhàn)仿真等。

無(wú)人機(jī)全數(shù)字仿真環(huán)境與Udp通訊

無(wú)人機(jī)全數(shù)字仿真

依據(jù)無(wú)人機(jī)風(fēng)洞數(shù)據(jù)建立了無(wú)人機(jī)的數(shù)學(xué)模型，基于4階龍格庫(kù)塔方法對(duì)建立的無(wú)人機(jī)12階微分方程進(jìn)行解算，基于vsc++2010建立仿真和控制界面，基于Udp實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)仿真模型與Flightgear軟件的數(shù)據(jù)發(fā)送。無(wú)人機(jī)仿真原理如圖1所示，曲線顯示界面如圖2所示，三維顯示界面如圖3所示。

Udp通訊傳輸

Udp通訊屬于tcp/ip通訊協(xié)議的一種，支持大數(shù)據(jù)量的傳輸，比較適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高強(qiáng)、對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求不高但數(shù)據(jù)量很大的場(chǎng)合。我們的全數(shù)字仿真系統(tǒng)所用的三維顯示對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不特別強(qiáng)，但是數(shù)據(jù)量較大，因此采用Udp協(xié)議進(jìn)行通訊傳輸。通信模塊分為客戶端和服務(wù)器端，客戶端和服務(wù)器端可以部署于同一臺(tái)機(jī)器，也可以部署到不同的機(jī)器上。在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信至少需要一對(duì)套接字，其中之一運(yùn)行于客戶端，稱之為Clientsocket;另一個(gè)運(yùn)行于服務(wù)器端，稱之為Serversocket。由于本機(jī)只向Flightgear傳送數(shù)據(jù)，不接收其發(fā)回的數(shù)據(jù)，因此僅編寫客戶端程序即可。

Udp客戶端程序在vc++2010中的設(shè)計(jì)流程為：

（1） 調(diào)用socket（）方法創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)套接字（SOCK_DGRAM）;

（2） 獲取無(wú)人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編組;

（3） 數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器;

（4） 停止仿真時(shí)關(guān)閉數(shù)據(jù)報(bào)。

基于仿真系統(tǒng)的udp傳輸

軟件部分發(fā)送代碼如下：

Socket初始化：

voidctrlDlg：：ToFlightgear（）

{ //SOCKET初始化

WORD wVersionRequested;

WSADATA wsaData;

int err;

wVersionRequested = MAKEWORD（ 1， 1 ）;

err = WSAStartup（ wVersionRequested， &wsaData ）;

if （ err ！= 0 ） {

return; }

if （ LOBYTE（ wsaData.wVersion ） ！= 1 ||

HIBYTE（wsaData.wVersion ） ！= 1 ） {

WSACleanup（ ）;

return; }

SOCKET sockClient=socket （AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;

SOCKADDR_IN addrSrv;

addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr（"192.168.1.255"）;//

addrSrv.sin_family=AF_INET;

addrSrv.sin_port=htons （5500）;

數(shù)據(jù)編組：

FGNetDatafgbuf;

fgbuf.version=FG_NET_FDM_VERSION; // increment when data values change

fgbuf.padding=0; // padding

// Positions

fgbuf.longitude=show_y[num_showxy-1]/57.3; // geodetic （radians）

fgbuf.latitude=show_x[num_showxy-1]/57.3; // geodetic （radians）

fgbuf.altitude=-h; // above sea level （meters）

//fgbuf.altitude=300.0; // above sea level （meters）

fgbuf.agl=-h; // above ground level （meters）

fgbuf.phi=（float）phi; // roll （radians）

fgbuf.theta=（float）theta; // pitch （radians）

fgbuf.psi=（float）psi; // yaw or true heading （radians）

...}

數(shù)據(jù)發(fā)送：

sendto（sockClient，（char*）（&fgbuf），length，0，（SOCKADDR*）&addrSrv，sizeof（SOCKADDR））;

關(guān)閉socket：

closesocket（sockClient）;

WSACleanup（）;

數(shù)據(jù)回放的三維顯示

從上面的介紹可以看出，F(xiàn)lightgear軟件可以通過Udp進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于仿真時(shí)保存的數(shù)據(jù)或?qū)嶋H飛行過程生成的遙測(cè)數(shù)據(jù)，只要按照相關(guān)的通訊協(xié)議和相應(yīng)的時(shí)間間隔傳輸?shù)紽lightgear，同樣可以驅(qū)動(dòng)Flightgear軟件中飛機(jī)的三維顯示，這里不再詳細(xì)介紹。

Flightgear軟件的通訊接口設(shè)置

Flightgear軟件設(shè)置

通訊接口采用Udp協(xié)議，在Flightgear軟件上的設(shè)置如圖4所示。

其中，flightmodel界面的動(dòng)力學(xué)模型設(shè)置為external，意為采用外部傳過來(lái)的模型，而不采用軟件自帶的動(dòng)力學(xué)模型;

傳輸協(xié)議界面，首先點(diǎn)擊new，新建傳輸協(xié)議，然后依次將Protocol設(shè)置為nativefdm，Medium設(shè)置為socket，Direction設(shè)置為in，Hz取5，端口選擇5500，選擇UDP模式。按上述步驟設(shè)置完成后，F(xiàn)lightgear軟件就準(zhǔn)備就緒。點(diǎn)擊run按鈕進(jìn)入運(yùn)行界面，等待外部信息的傳入。

接口協(xié)議

Udp協(xié)議需要按照一定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸，共28個(gè)變量，408個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。典型的傳輸變量見表1。這些變量能夠滿足三維顯示的需求。如需對(duì)飛機(jī)座艙進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，還可以將東向、北向、天向速度、加速度以及三軸角速度等進(jìn)行傳輸。由于我們的仿真為無(wú)人機(jī)仿真，不需要座艙顯示，因此速度信息并未傳輸。為了直觀，加入了舵面的顯示，當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行左右轉(zhuǎn)彎或者爬升以及下滑時(shí)，可以清晰地看到舵面的動(dòng)作。

結(jié)論

以往的影像數(shù)據(jù)多來(lái)自于攝像機(jī)，雖然攝像機(jī)足夠高清，但當(dāng)飛機(jī)飛行速度增加時(shí)，無(wú)法顯示滿足要求的高清影像，當(dāng)需要觀看動(dòng)態(tài)實(shí)況時(shí)，由于缺少相應(yīng)手段，只能對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)逐個(gè)分析，不便于形成整體概念。相比以往外場(chǎng)飛行或飛行后缺少相應(yīng)的三維影像的情況，仿真和回放數(shù)據(jù)能提供接近真實(shí)狀態(tài)的實(shí)時(shí)影像。因此，從某種程度上來(lái)說(shuō)，本文提供了一種額外的視景手段，通過三維實(shí)時(shí)軟件，可以直觀地看到飛機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。