基于Flightgear 模拟器的实时可视化飞行仿真系统

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第 19卷第 19期系统仿真学报. Vol. 19 No. 19 2007年 10月 Journal of System Simulation                                      Oct., 2007
基于 Flightgear模拟器的实时可视化飞行仿真系统
黄华，徐幼平，邓志武
(北京应用气象研究所，北京 100029)
摘要：针对国外某型无人飞行器，建立了非线性六自由度飞行模型和自主导航控制系统，在此基础上，利用 Flightgear飞行模拟器外部数据输入 /输出接口 ,将飞行仿真数据通过网络实时传递，驱动 Flightgear可视化引擎，实现飞行仿真中，飞行姿态、天气条件和地理环境的三维实时可视化显示。仿真试验表明，该可视化飞行仿真系统可扩展性强，开发周期短，系统建设简单，使用方便，为今后的深入研究打下了良好基础。关键词：飞行仿真；可视化；Flightgear模拟器；Matlab/simulink中图分类号：TP391.9 文献标识码：A文章编号：1004-731X (2007) 19-4421-03
Real-time Visual Flight Simulation System Based on Flightgear Simulator
HUANG Hua, XU You-ping, DENG Zi-wu
(The Institute of Applied meteorologic, Beijing 100029, China)
Abstract: A nonlinear 6-DOF flight model of an Unmanned Air Vehicle was developed, including navigation and control system. Incorporated with it, flight simulation data was fed to the Flightgear simulator through its I/O port by network. Then Flightgear visual engine was driven to achieve real-time visual flight simulation and the UAV states, weather condition and geographic environment were showed in 3-D model. The simulation results show that this visual flight simulation system is feasible, valid and economic. It can be used as a primary platform for the future work. Key words: flight simulation; visualize; Flightgear simulator; Matlab/simulink
引言从而驱动视景仿真模块，实现动态飞行数据的三维实时显示。整套系统流程见下图：
低空小型无人飞行器结构简单，造价低廉，用途广泛 , 既可用于观测、勘探、航拍等民用用途 , 也可用于近距探测 /侦察等军事用途。随着仿真技术的发展，在无人飞行器的研制开发、试验定型和训练飞行中，基于可视化交互仿真（VIS）技术，利用先进的仿真工具构建飞行仿真系统进行图 1 飞行仿真系统框架图模拟飞行，具有高效经济和安全实用等优点，已逐渐成为工本文基于可视化交互仿真（VIS）技术，针对国外某型程实践中必不可少的工作之一，并在国内外得到了广泛使用无人飞行器，使用 Matlab/Simulink仿真工具，建立了以非和肯定[1-2]。线性六自由度飞行模型和自主导航控制系统为主的弹道/姿
作为最著名的跨平台开源飞行模拟软件之一， 态仿真模块。在此基础上，利用 Flightgear飞行模拟器提供FlightGear不但以其强大真实的飞行仿真功能吸引了众多的的外部数据输入 /输出接口，将飞行航迹 /姿态等仿真数据，飞行模拟爱好者，而且其开放式的程序构架和预留的外部数通过数据发送和接收模块，进行网络实时传递，驱动 据输入 /输出接口，也赢得了专业用户的青睐，成为众多科Flightgear可视化引擎，实现了飞行仿真中，飞行姿态、天研部门的飞行仿真可视化引擎。 Illinois大学将其用于飞行结气条件和地理环境的三维实时可视化显示。 冰过程的仿真可视化研究 [3]；Wales大学则在飞控系统仿真中，利用Flightgear引擎实现了可视化仿真环境[4]。 2 弹道/姿态仿真模块
作为飞行仿真系统的核心
1 可视化飞行仿真系统总体结构之一，弹道/姿态仿真模块通过
较为完整的可视化飞行仿真系统包括了弹道 /姿态仿真建立飞行器的数学模型，在给定和视景实时显示。其中弹道 /姿态仿真模块计算得到的相关初始条件下，采用数值算法，对结果(位置、姿态等)通过网络实时传送到视景显示计算机，飞行器飞行的全过程进行仿真，
得到飞行器在任意 (仿真)时刻的收稿日期：2006-08-03 修回日期：2007-01-10位置与姿态，以及飞行器的飞行作者简介：黄华 (1974-), 男, 河南人, 博士, 高工, 研究方向为大气环境图2 弹道/姿态仿真模块框架图对飞行器系统影响效应仿真。航迹。其主要模块见图 2。. 4421 .



第 19卷第 19期 Vol. 19 No. 19 2007年 10月系统仿真学报 Oct., 2007
2.1  飞行动力学模型动力学模块作为飞行仿真软件中的核心模块之一，其基本功能是求解非线性六自由度的飞行器运动方程，得到三个方向的质心运动参数和三个姿态角。由于运动中的飞行器是
一个极其复杂的动力学系统，它的运动特性要受到各种因素的影响，因此，为了简化和推导运动方程，作以下基本假设：
1) 地球为平面大地，忽略地球的旋转运动和质心的曲线运动；
2) 飞行器为理想刚体 ,不考虑机体弹性变形和旋转部件影响；在此假设下，可得到非线性六自由度控制方程并对其进行数值求解。

方程中须用到有关气动力参数，本文采用简便快速，并较为成熟的工程算法进行求解，即飞行器瞬时状态的气动力数据，由作为主要影响因素的飞行参数（马赫数、攻角等），从大量的试验数据表中，通过插值计算求得[5]。
在飞行器飞行过程中，发动机推力和油耗参数同样根据发动机地面实验数据插值计算求得[6]。
2.2  飞行控制导航系统对于飞行器系统而言，控制模块是飞行器的中枢指挥系统。它接收飞行器自身在控制与干扰作用下运动状态的变化，并据此做出相应反应，操纵飞行器按航迹规划安全飞行，
以完成各种飞行任务。在本文中，目标飞行器主要进行探测 /侦察任务，因此制定了以下控制律：
1) 滚转角控制：除机动飞行阶段外，一般滚动姿态角设定为零，即要求滚动姿态角始终保持在较小的范围内，并希望滚动通道的控制快速有效。
2) 空速保持控制：通过对空速的测量，利用升降舵的偏转，控制飞行器的俯仰角，保持飞行器的空速在某设定值附近。
3) 高度保持控制：通过对发动机油门的控制，增加或减少系统动能，结合速度保持功能，将动能的改变转化为势能的变化，从而完成对设定高度的控制。

在仿真实现中，考虑到低速飞行器一般具有高静稳定性，通过对基本反馈控制回路的研究，本文采用了广泛使用的PD和PID(比例—积分—微分)控制器进行仿真模拟[7]。
在以上三种控制律的保证下，可有效避免飞行器进入危险的飞行状态，保证目标飞行器以稳定的空速和固定的高度在指定空域内平稳飞行。但要实现自主导航，完成指定航迹和航向的探测 /侦察任务，飞行器还需借助导航模块的帮助。为此，该型飞行器装备了 GPS定位装置，用来向控制系统提供飞行器的准确定位，从而得到与预定航迹的误差信号。在此信号的激励下，控制系统按照非线性导航律来完成探测 /侦察的飞行任务。非线性导航律原理示意图如图 3[8]。在获得飞行器相对与目标位置的位置偏差 X track， Y track和速度
Xtrack， Ytrack后，根据非线性导航律 [8]，可得控制偏航角速度 rCMD为 rCMD = ( R [kX trackYtrack . Ytrack Xtrack
sat K ]) ..Rmax ,u <. R max
            (1)
.
() = u ,
sat u . u
< Rmax
.
. Rmax ,u > Rmax 其中，KR，k为比例系数，具体导航律的实现参见文献[8]。
图 3 非线性导航律原理示意图
2.3  大气环境模块本文采用广泛使用的 1976年标准大气模型来表征大气
静态参数 [9]，选取 WGS-84地球模型对不同经纬度的地球半径和重力加速度进行计算[10]。
3  Flightgear模拟器
自从 David于 1997年 7月发布了第一个跨平台版本之后，FlightGear从最初粗糙的空气动力学模型开始，逐渐引入了自然特性（阳光、月光和星光等）、天气特性（云、雾和风等）、平显、仪表板、电子导航系统、机场与跑道以及网络互联操作等众多的特性。时至今日， FlightGear已成为了最著名的跨平台飞行模拟软件之一。
和利用建模工具重新开发仿真可视化系统 [2]相比，利用飞行仿真数据驱动 Flightgear可视化引擎，具有：跨平台（Linux，windows）；多场景（已集成全球地形、地貌和众多机场）；多机型（已集成数百种常用机型模型）；可交互（仿真过程中可根据需要改变场景切换视角，实现人机交互）；开放性（方便增添新功能，制作精细新场景，开发属于自己的新机型）等特点。
因此，利用 Flightgear作为飞行仿真可视化引擎具有可扩展性强，开发周期短，系统建设简单，使用方便等优点，必将引起广大可视化仿真工作者的重视，并得到更广泛的应用。
4  仿真结果
本文中，目标飞行器为国外某型低空无人飞行器 [6]，其主要用途为环境监测和化学生物侦察。本文预定飞行任务的飞行高度为 900米，航速 25米/秒，飞行航迹规划和弹道 /姿态仿真模块二维、三维飞行航迹仿真结果见图 4，5。
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第 19卷第 19期 Vol. 19 No. 19 2007年 10月黄华，等：基于 Flightgear模拟器的实时可视化飞行仿真系统 Oct., 2007
-50 5 East/km
图 4 飞行航迹规划和二维飞行航迹仿真结果
图 5 弹道/姿态模块三维飞行航迹仿真结果
在弹道/姿态仿真模块工作的同时，视景显示模块也调用Flightgear模拟器实现了三维飞行视景显示，图 6即为其中一个场景截图。
图 6  仿真飞行三维视景实时显示
5  结论
1
）针对目标飞行器，本文建立的弹道 /姿态仿真模块简洁、高效，可有效反映目标飞行器的基本飞行品质，并进行预定航迹规划的飞行仿真模拟。
2）基于
Flightgear模拟器建立的实时可视化显示模块，具有可扩展性强，开发周期短，系统建设简单，使用方便等优点，并为今后的深入研究打下了良好基础。

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（上接第 4420页）
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