基于FlightGear的飛行仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王　岳, 陳憶杭

(中國(guó)民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院, 天津　300300)

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基于FlightGear的飛行仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王岳, 陳憶杭

(中國(guó)民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院, 天津300300)

研究了FlightGear飛行仿真軟件中Xml文件的應(yīng)用及配置機(jī)制,通過(guò)修改FlightGear動(dòng)力學(xué)模塊和數(shù)據(jù)采集模塊,搭建了一個(gè)基于FlightGear的飛行仿真演示系統(tǒng),并根據(jù)需求設(shè)計(jì)了飛行仿真實(shí)驗(yàn)。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證,該系統(tǒng)方便使用,擴(kuò)展和維護(hù)方便,有較高的使用價(jià)值。

飛行仿真； FlightGear； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1　FlightGear飛行模擬器

飛行原理、飛行性能是飛行技術(shù)專業(yè)主干課程的重要組成部分,由于其內(nèi)容復(fù)雜且抽象,如何為學(xué)生講授一直是眾多教師面臨的難題。采用飛行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是破解這一難題的有效辦法。飛行仿真,是在地面上使用設(shè)備再現(xiàn)飛機(jī)在空中的行為,通過(guò)仿真的方法,把飛行員在操縱飛機(jī)時(shí)所感覺(jué)到的飛機(jī)姿態(tài)、飛行運(yùn)動(dòng)的變化,所能看到的各種儀表的顯示、機(jī)艙外的視景以及所能聽(tīng)到的各種聲音逼真地反映出來(lái)[1-2]。在飛行原理、飛行性能的教學(xué)中,運(yùn)用飛行模擬演示,將理論與仿真過(guò)程結(jié)合起來(lái),可幫助學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

FlightGear飛行模擬器是一項(xiàng)開(kāi)源、多平臺(tái)、合作的飛行模擬器項(xiàng)目,目標(biāo)是搭建一個(gè)先進(jìn)的飛行模擬器框架,開(kāi)發(fā)和追求有趣的飛行模擬思路,并最終作為用戶的程序終端。它主要由駕駛艙系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、音效系統(tǒng)、動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、助航系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),自動(dòng)生成一個(gè)包含飛行器、儀表面板、跑道、地形、天氣等的圖像仿真環(huán)境,逼真地模擬出真實(shí)飛行時(shí)的飛行狀態(tài),如飛機(jī)姿態(tài)、各控制面板位置、飛行軌跡、儀表指示、艙音等。由于其開(kāi)源特性以及開(kāi)發(fā)時(shí)預(yù)留了外部數(shù)據(jù)接口,用戶可以方便地進(jìn)行更改以及二次開(kāi)發(fā)[3-4]。例如英國(guó)威爾士大學(xué)的飛行智能機(jī)器人研究[5]、明尼蘇達(dá)大學(xué)人文因素研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)Illinois大學(xué)智能結(jié)冰系統(tǒng)的研究等都使用了FlightGear[6]。

2　飛行仿真方法

本文通過(guò)編寫(xiě)FlightGear中Xml配置文件,依據(jù)不同的飛機(jī)數(shù)據(jù)修改其動(dòng)力學(xué)模塊,然后在FlightGear啟動(dòng)時(shí)載入預(yù)先設(shè)置好的Xml配置文檔,利用自定義的數(shù)據(jù)采集模塊,實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬飛行數(shù)據(jù)的讀取和保存,進(jìn)而利用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了飛行仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1Xml配置文件

Xml(extensible markup language)意為可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言,與HTML同是標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言(standard generalized markup language,SGML)的一個(gè)子集,是W3C為解決HTML擴(kuò)展性不強(qiáng)、交互性差和語(yǔ)法定義不強(qiáng)等缺點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的。Xml將數(shù)據(jù)和程序分開(kāi),以開(kāi)放的、自我敘述的方式定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在描述數(shù)據(jù)內(nèi)容的同時(shí)能突出數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu),進(jìn)而體現(xiàn)出數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)間的關(guān)系。

Xml是一種元標(biāo)記語(yǔ)言,其文檔由Xml元素組成。每個(gè)元素需要有開(kāi)始標(biāo)簽和結(jié)束標(biāo)簽，開(kāi)始標(biāo)簽和結(jié)束標(biāo)簽之間的信息為該元素的內(nèi)容。標(biāo)簽表示的是數(shù)據(jù)的含義而不是數(shù)據(jù)的顯示形式,并且可以由用戶自定義元素的名稱,使其具有特定的含義,方便用戶理解作者的意圖。

Xml語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是:

(1) 良好的語(yǔ)法格式,每個(gè)元素都有開(kāi)始標(biāo)簽和結(jié)束標(biāo)簽；

(2) 良好的擴(kuò)展性和驗(yàn)證機(jī)制,允許用戶自定義標(biāo)簽,可以利用文檔定義類(lèi)型DTD和Schema并且校驗(yàn)文檔中的標(biāo)記；

(3) 平臺(tái)無(wú)關(guān)性,即Xml獨(dú)立于平臺(tái),與具體的編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)；

(4) 靈活的Web應(yīng)用,數(shù)據(jù)與顯示格式相分離；

(5) 面向?qū)ο蟮奶匦?Xml是信息的對(duì)象化語(yǔ)言,DTD和Schema是界面和類(lèi),Xml是對(duì)象實(shí)例,Xsl是方法和實(shí)現(xiàn)。

Xml語(yǔ)言的缺點(diǎn)是:

(1) 樹(shù)形存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),搜索效率雖高,但插入、修改和刪除比較困難；

(2) Xml的文本表現(xiàn)手法和標(biāo)記的符號(hào)化會(huì)使Xml的數(shù)據(jù)量大于二進(jìn)制數(shù)據(jù)量,當(dāng)Xml數(shù)據(jù)量很大時(shí),效率較低；

(3) 管理功能不完善,Xml文檔多作為數(shù)據(jù)提供者使用,沒(méi)有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的完善的管理系統(tǒng)；

(4) 通信困難,Xml是元標(biāo)記語(yǔ)言,任何人都可以利用其定義新的標(biāo)準(zhǔn),新標(biāo)準(zhǔn)之間通信比較困難。在FlightGear系統(tǒng)中使用的Xml文件以聲明開(kāi)頭,此行之前不能有空行或字符。根元素為PropertyList,其數(shù)據(jù)形成一個(gè)樹(shù)形層次的結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)配置格式如下:

< ?xml version=″1.0″?>

< PropertyList>

< orientation>

< heading-deg type=″double″>0.0

< pitch-deg type=″double″>0.0

< roll-deg type=″double″>0.0

< / orientation >

< /PropertyList>

其中,PropertyList是根元素,它存在一個(gè)子元素orientation,即方向?qū)傩?。方向?qū)傩宰陨碛?個(gè)子元素——heading-deg、pitch-deg和roll-deg,表示飛機(jī)的航向角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角,type=″double″表示值為雙精度型實(shí)數(shù),3個(gè)方向的值都設(shè)置為0.0。

2.2飛行數(shù)據(jù)的采集

FlightGear自帶的Logging功能可以將任意屬性值以任意的時(shí)間間隔記錄到CSV文件內(nèi)。但該方法的缺點(diǎn)是可重復(fù)性差、系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)記憶面板內(nèi)信息、每次重新飛行都需要重新輸入數(shù)據(jù)的名字和路徑。用戶通過(guò)對(duì)FG_ROOT/data/gui/dialogs文件夾內(nèi)logging.xml文件以及FG_ROOT/data/preferences.xml進(jìn)行修改,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)logging對(duì)話框的修改和即時(shí)滿足用戶定義的數(shù)據(jù)記錄。

另外,用戶也可通過(guò)自己編寫(xiě)Xml文件,然后通過(guò)FlightGear的“-config=‘文件位置完成路徑’”命令或者圖形化界面中的相應(yīng)功能,在程序啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行配置并最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。文件主要格式為:

20

/controls/flight/rudder

/controls/flight/elevator

……

每個(gè)“l(fā)og”子節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)必需的“enabled”屬性、一個(gè)可選擇的“filename”屬性(默認(rèn)為“fg_log.csv”)、一個(gè)可選擇的“delimiter”屬性(默認(rèn)為“,”)、一個(gè)可選擇的“interval-ms”屬性(默認(rèn)為“0”,每幀記錄)以及一系列“entry”子節(jié)點(diǎn)。每個(gè)“/entry”子節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)必需的“enabled”屬性、一個(gè)“property”屬性來(lái)定義需要記錄的屬性名，一個(gè)可選擇的“tile”屬性來(lái)定義csv文件中使用的標(biāo)題(默認(rèn)為屬性的完整路徑)。用戶只需根據(jù)自身需要增減節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),并對(duì)其中內(nèi)容進(jìn)行修改,即可完成所需參數(shù)的記錄與保存。某次飛行數(shù)據(jù)記錄如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)記錄文件示例

2.3動(dòng)力學(xué)模塊的修改

飛機(jī)飛行狀態(tài)的變化,歸根到底是力和力矩作用的結(jié)果。飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可以通過(guò)3個(gè)軸來(lái)進(jìn)行描述,即橫軸、縱軸和立軸。飛機(jī)在3個(gè)軸上的動(dòng)作分別為俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。進(jìn)行飛行模擬仿真,即是模擬力與力矩的作用,使飛行器在3個(gè)軸上進(jìn)行不同的動(dòng)作。需要模擬的力與力矩有阻力、升力、側(cè)力、俯仰力矩、滾轉(zhuǎn)力矩和偏航力矩等[7-8]。

動(dòng)力學(xué)模塊的修改主要是在部分。根據(jù)力和力矩系數(shù)對(duì)該模塊進(jìn)行修改,以完成對(duì)飛機(jī)所受力和力矩的更改。FlightGear中的Xml配置文件并不是通過(guò)定義氣動(dòng)系數(shù)來(lái)定義飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)模塊,而是簡(jiǎn)單地通過(guò)定義力和力矩來(lái)定義。中的力和力矩是通過(guò)氣動(dòng)系數(shù)乘上動(dòng)壓等來(lái)獲取最終的力和力矩。例如:

aero/qbar-psf

metrics/Sw-sqft

fcs/flap-pos-norm

該段Xml文件定義了襟翼阻力,其值為q、s、襟翼位置以及0.0500相乘，其中q為動(dòng)壓項(xiàng)，s為面積項(xiàng)。通常氣動(dòng)力是由q×s×氣動(dòng)系數(shù)來(lái)得到。文件中的fcs/flap-pos-norm(襟翼位置)與0.0500相乘即為氣動(dòng)系數(shù)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)模塊也是通過(guò)定義氣動(dòng)系數(shù)來(lái)獲得飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性。動(dòng)壓是所有飛機(jī)通用的屬性。

氣動(dòng)系數(shù)數(shù)據(jù)一般由幾項(xiàng)構(gòu)成,有些可以細(xì)化成幾十項(xiàng)，也可以簡(jiǎn)化成1項(xiàng),與個(gè)人需要以及條件有關(guān)。以俯仰力矩為例,其一般表現(xiàn)形式為:

在Xml配置文件中一般以氣動(dòng)系數(shù)的最小單元為整體來(lái)進(jìn)行定義,這樣更加簡(jiǎn)潔、直觀,定義以及查閱、修改更加便利。當(dāng)然用戶也可以根據(jù)自身需要，將氣動(dòng)系數(shù)劃分成各個(gè)部分,然后通過(guò)加、減、乘、商等運(yùn)算關(guān)系進(jìn)行定義。若按照上式對(duì)俯仰力矩進(jìn)行定義,則其形式應(yīng)為:

Pitch_moment_due_to_alpha

Pitch_moment_due_to_mach

在每個(gè)里定義各單獨(dú)氣動(dòng)系數(shù)對(duì)氣動(dòng)力的貢獻(xiàn)。

以下以俯仰力矩為例,說(shuō)明如何修改對(duì)應(yīng)的Xml文件來(lái)完成動(dòng)力學(xué)模塊的修改。修改前的B747型飛機(jī)的俯仰力矩系數(shù)表現(xiàn)形式為

修改后的俯仰力矩系數(shù)表現(xiàn)形式為

Cm(q)為一給定常數(shù)與俯仰角速度q的乘積,而Cm(α,δe)則為與α和δe相關(guān)的二維矩陣。由于M=q×s×c×Cm,因此中的為aero/qbar-psf、metrics/Sw-sqft、metrics/cbarw-ft以及Cm乘積[9-10]。

通過(guò)以上形式的定義,即完成了動(dòng)力學(xué)模塊中俯仰力矩的重新定義。使用該方法可進(jìn)行包括阻力、升力、側(cè)力、俯仰力矩、滾轉(zhuǎn)力矩和偏航力矩等空氣動(dòng)力參數(shù)的修改,從而實(shí)現(xiàn)飛行仿真。

3　仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)案例

通過(guò)修改不同機(jī)型的數(shù)據(jù)、相關(guān)的動(dòng)力學(xué)模塊,或是模擬相應(yīng)的失效科目,讓學(xué)生在FlightGear中操作飛行,然后把仿真飛行數(shù)據(jù)記錄下來(lái),用相應(yīng)軟件繪制出不同動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系曲線。其優(yōu)越性在于不僅可以讓學(xué)生切身感受到飛行動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化對(duì)于飛行的影響,而且可以對(duì)照特定的飛行動(dòng)力學(xué)參數(shù)函數(shù)關(guān)系曲線,更加深入地理解對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。這種方式也有利于教師及時(shí)、方便地更新和完善教學(xué)資源。

3.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

按照前面所介紹的方法,基于FlightGear開(kāi)發(fā)了飛行原理和性能課程[11-12]的4個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn):阻力特性、起飛航跡、單發(fā)失效、縱向靜穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。

3.2實(shí)驗(yàn)案例說(shuō)明

以B747-200單發(fā)失效實(shí)驗(yàn)為案例說(shuō)明實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

使用B747-200型飛機(jī)的氣動(dòng)參數(shù)修改后的動(dòng)力學(xué)模塊及系統(tǒng)故障選單，模擬B747單發(fā)失效。模擬的情況為當(dāng)飛機(jī)飛行到某一高度并配平飛行時(shí)最右側(cè)臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效，其發(fā)動(dòng)機(jī)推力曲線如圖2所示。

圖2　油門(mén)以及4號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)推力曲線

圖2中藍(lán)色曲線為右側(cè)臨界發(fā)動(dòng)機(jī)推力,綠色曲線表示油門(mén)。可以看出油門(mén)不變,而4號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)推力在第270 s時(shí)降為0。

圖3中,綠色曲線為滾轉(zhuǎn),藍(lán)色曲線為側(cè)滑角；圖4中,藍(lán)色曲線為方向舵變化情況,綠色曲線為副翼輸入情況。

圖3　滾轉(zhuǎn)及側(cè)滑角曲線

圖4　方向舵及副翼輸入曲線

可以看出,當(dāng)4號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后出現(xiàn)明顯的偏航與滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)必須通過(guò)操縱副翼以及方向舵來(lái)進(jìn)行糾正,以使飛機(jī)仍以合適的姿態(tài)進(jìn)行飛行。從操縱面的輸入可以看出:在發(fā)動(dòng)機(jī)剛失效時(shí),由于飛機(jī)運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜,方向舵與副翼的操作相當(dāng)頻繁而且隨機(jī),需要耗費(fèi)飛行員大量精力進(jìn)行校正；當(dāng)飛行姿態(tài)趨于穩(wěn)定后方向舵以及副翼操縱變得相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)飛機(jī)能穩(wěn)定飛行時(shí),必須以一定的方向舵偏轉(zhuǎn)來(lái)補(bǔ)償左右兩邊發(fā)動(dòng)機(jī)的推力差,以保證飛機(jī)能不偏航轉(zhuǎn)向飛行。

3.3教學(xué)意義

通過(guò)上述的仿真實(shí)驗(yàn),可以給學(xué)生駕駛員以較為直觀的視覺(jué)現(xiàn)象,同時(shí)在模擬結(jié)束后還能通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并查找發(fā)動(dòng)機(jī)故障原因。這對(duì)于學(xué)生將感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)是非常有幫助的。

4　結(jié)語(yǔ)

在探究了飛行仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降幕A(chǔ)之上,研究了利用FlightGear開(kāi)源模擬飛行軟件和Xml配置文件,構(gòu)建一個(gè)基于FlightGear的飛行仿真演示系統(tǒng),并設(shè)計(jì)了飛行仿真實(shí)驗(yàn)。飛行仿真實(shí)驗(yàn)表明,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于飛行原理和性能的課程教學(xué)有明顯的輔助作用,并且成本低廉、二次開(kāi)發(fā)性強(qiáng),擴(kuò)展和維護(hù)也很方便。良好的直觀體驗(yàn)使得學(xué)生容易深刻地理解和掌握所學(xué)的知識(shí)。

對(duì)于飛行仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的深度開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)更復(fù)雜的應(yīng)用,還有待進(jìn)一步的研究。例如,可以將此系統(tǒng)用于飛行技術(shù)的評(píng)估、航線飛行經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算以及演示飛行事故征候等。總之,在航空業(yè)蓬勃發(fā)展的今天,飛行技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)改革更加迫切,該種飛行仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用范圍也將更加廣泛。

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Design of flight simulation teaching experiments based on FlightGear

Wang Yue, Chen Yihang

(Flight Technology College,Civil University of China,Tianjin 300300, China)

The application and configuration of Xml documents in FlightGear flight simulation software are studied first. The dynamic modules and data collecting modules of FlightGear are successfully modified in order to construct a flight simulation demonstration system. Additionally,several flight simulation experiments are developed according to demands. Teaching practice has shown the significant practicality of the flight simulation system for its simple structure,scalability and maintainability.

flight simulation; FlightGear; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.033

2016-04-21

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(3122014X002)；中國(guó)民航大學(xué)校級(jí)教育教學(xué)項(xiàng)目(CAUC-ETRN-2015-74)；天津市大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目(201610059086)

王岳(1983—),男,天津,博士研究生,講師,主要研究領(lǐng)域?yàn)轱w行動(dòng)力學(xué)與控制、飛行技術(shù)和飛行安全.

TP391.9；V211.73

A

1002-4956(2016)10-0130-05