侯玉潔 院老虎

【摘 要】飛行控制與管理計算是飛行器飛行控制系統(tǒng)的關鍵組成部件，因此，基于 Flightgear 開發(fā)輕型飛機的三維可視仿真系統(tǒng)勢在必行。本文對仿真系統(tǒng)進行了具體分析，為了動力學的控制算法的研究以及飛行器的試飛工作提供一個仿真實驗平臺，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，應用至輕型飛機飛行控制系統(tǒng)的設計過程中。對飛行性能進行評估并降低試飛的風險和成本，具有結構簡單造價低廉的特點。

【關鍵詞】Flightgear 輕型飛機 動力學 仿真

基于Flightgear動力學三維視景仿真是以輕型飛機為基礎，在實驗室環(huán)境中對飛行器進行飛行規(guī)律的研究。采用動力學分析理論結合 OpenGL 三維動態(tài)顯示技術，對其進行動力學三維視景仿真。利用 Flightgear 開放平臺進行飛行可視仿真，建立各部分的動力學分析模型。在飛行器真正試飛之前，對飛機進行設計特點分析。構建全功能、全動態(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力學模型致使一些控制律設計工作無法有效開展的問題。

1輕型飛機動力學三維可視仿真研究背景與現(xiàn)狀

仿真測試設備是在某輕型飛機六自由度非線性數(shù)學模型實時仿真的基礎上， 進行三維可視模型的設計。在飛行控制系統(tǒng)設計的整個周期內需要檢驗飛行控制系統(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)階段國內的動力學分析中，系統(tǒng)實施所需要的軟硬件環(huán)境和實施過程。除了非線性動力響應分析以外，還需考慮多門交叉學科的高、精、尖技術。根據(jù)總體模態(tài)及其特征值結構參數(shù)設計、空氣動力學特性、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。驗證飛行器的控制律設計，檢驗飛行控制系統(tǒng)的功能和性能。

2輕型飛機三維可視仿真研究的理論基礎

輕型飛機與大飛行器相比有明顯的差異，動力學模型通常不能直接利用靜力分析。它的總體響應及其動載荷都是新的研究領域，在模態(tài)分析時將會引入局部振動模態(tài)和頻率。各項參數(shù)以及飛行性能等的設計、測試需要進一步優(yōu)化，給以后的響應分析帶來麻煩。因此開發(fā)飛行仿真軟件以減少設計定型時間以及實驗中的風險，通過傳感器仿真和執(zhí)行機構（操縱舵面）的動力學特性仿真來進行參數(shù)設置和運行控制。

（1）三維可視化的研究是一個很重要的研究方向，其中模態(tài)分析的結果對各種響應分析將起決定性影響。建立視覺仿真系統(tǒng)，通過遙控/遙測控制臺用于對飛行控制計算機發(fā)送遙控指令。三維視景顯示能夠直觀、動態(tài)的再現(xiàn)飛行過程，控制飛行模態(tài)。飛行數(shù)據(jù)進行有利于發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的缺陷，制訂動力學分析模型的簡化原則。對總體結構和運動情況產(chǎn)生直觀的形象顯示，減少實際試飛中產(chǎn)生的一些錯誤的結果。系統(tǒng)的運行情況表明，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）飛行控制技術是一門新興學科，其重要程度不言而喻。以某輕型飛機的三維模型為基礎對其進行仿真分析，及時進行修正。在總體仿真中計算其固有模態(tài)，體現(xiàn)飛行時位置、姿態(tài)的變化及各種控制算法的控制作用。輕型飛機具有較強的非線性特性，以此掌握飛行器的控制方法。各通道存在很強的耦合，有效控制可以降低試飛的風險和成本。隨著一些新技術的出現(xiàn)，科研試飛行控制仿真系統(tǒng)其主要難點還是在于行控制系統(tǒng)對軟件執(zhí)行的實時性。輕型飛機還有力地推動了飛行仿真系統(tǒng)的技術創(chuàng)新，有其它飛行器無法取代的作用。

（3）基于 Flightgear自帶動力學模型的飛行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境，根據(jù)仿真目的達到非常逼真的仿真效果。在進行輕型飛機科研試飛過程中，盡管采用多項先進技術但仍然會出現(xiàn)一些問題。所以結合計算機、通信等技術建立較為準確的飛行動力學模型，使用動力學模型數(shù)據(jù)驅動各種模型進行飛行仿真。避免造成由于飛行控制系統(tǒng)設計不當產(chǎn)生的損失，具有很高的實時性。開發(fā)了可視化的客戶端界面，并且為下一步的飛機動力學穩(wěn)定性、固有特性和顫振特性分析打下基礎。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，減少實際試飛中產(chǎn)生的一些錯誤的結果。

3 Flightgear 的框架結構及仿真環(huán)境

Flightgear框架結構主要包括四大組件： OpenGL、Plib、SimGear和 Flightgear Based Simulation，共同為輕型飛機的控制算法的研究以及飛行器的試飛工作提供一個仿真實驗平臺。Flightgear作為一個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。各模塊之間關系基于 Flightgear的飛行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境，結合圖形處理與圖像生成技術建設動力學模型。

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

（2）現(xiàn)在的實時三維計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各模塊中動力學系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部分。結合良好的集成開發(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。即在實驗室環(huán)境中對飛行器進行飛行規(guī)律的研究，是較復雜的多輸入多輸出系統(tǒng)。利用工作站建立仿真工作平臺，已經(jīng)成為實現(xiàn)輕型飛機工程化和實用化的關鍵技術之一。

參考文獻：

[1]蔚海軍.基于Flightgear的直升機飛行模擬系統(tǒng)研究[D].大連：大連理工大學，2014.

[2]黃華，徐幼平，鄧志武.基于Flightgear模擬器的實時可視化飛行仿真系統(tǒng) [J].系統(tǒng)真學報，2014，19（19）：4421-4423.

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目：項目名稱：基于Flightgear輕型飛機動力學三維視景仿真研究，項目編號：DXC140111。