基于Prepar3D的飛行器性能可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯學(xué)智

摘? ?要：搭建了滿(mǎn)足飛行器實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的可視化仿真系統(tǒng)：通過(guò)Simulink建立非線(xiàn)性六自由度飛行動(dòng)力學(xué)模型和飛行仿真模型;利用Prepar3D接收姿態(tài)、位置及軌跡變化等飛行數(shù)據(jù)并相應(yīng)展示艙外景象，逼真展示飛行過(guò)程環(huán)境;通過(guò)數(shù)據(jù)可視化軟件將飛行數(shù)據(jù)以二維或三維曲線(xiàn)進(jìn)行呈現(xiàn)或?qū)Ρ?，進(jìn)一步提高飛行器性能數(shù)據(jù)分析的直觀性。本系統(tǒng)可用于輔助飛行器飛行控制系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、近地告警系統(tǒng)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究及驗(yàn)證任務(wù)。

關(guān)鍵詞：可視化? 飛行仿真? 視景仿真? 飛行動(dòng)力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）12（a）-0113-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展， 仿真可視化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生， 并成為航空航天領(lǐng)域重要的輔助工具。飛行器性能是飛行器研究和運(yùn)用中非常重要的研究方向，可視化仿真是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)， 通過(guò)可視化仿真可以對(duì)飛行器操縱性、穩(wěn)定性和自動(dòng)駕駛儀性能進(jìn)行有效的驗(yàn)證， 也可以對(duì)操作手進(jìn)行輔助訓(xùn)練， 降低飛行風(fēng)險(xiǎn)，甚至提高實(shí)戰(zhàn)能力。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括飛行仿真、視景仿真及數(shù)據(jù)可視化三個(gè)子系統(tǒng)。飛行仿真提供飛機(jī)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、外部環(huán)境、飛管系統(tǒng)、起落架等系統(tǒng)仿真邏輯;視景仿真系統(tǒng)模擬飛機(jī)座艙外的景象，是飛行員判斷飛行品質(zhì)十分重要的視覺(jué)信息;數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)將指定的飛行數(shù)據(jù)以二維或三維曲線(xiàn)的形式表示，便于用戶(hù)分析數(shù)據(jù);最終用戶(hù)通過(guò)視景仿真及數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)的信息，可進(jìn)一步修改飛行仿真，達(dá)到提高飛行器性能的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2? 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 飛行仿真

飛行仿真軟件采用Matlab Simulink實(shí)現(xiàn)。MathWorks的Matlab Simulink/Stateflow等工具使工程師可以在一個(gè)可視化的交互開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行基于模型的設(shè)計(jì)，用直觀的模塊圖對(duì)系統(tǒng)模型和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行可視化處理。

Simulink自帶大量航空運(yùn)動(dòng)方程，大大減少航空仿真工程師工作量。典型的六自由度運(yùn)動(dòng)方程模塊如圖2所示。

以上模塊實(shí)現(xiàn)了六自由度歐拉角公式轉(zhuǎn)換。六自由度模塊認(rèn)為機(jī)體坐標(biāo)系相對(duì)地面坐標(biāo)系是旋轉(zhuǎn)的。坐標(biāo)系的原點(diǎn)為機(jī)體質(zhì)心，機(jī)體認(rèn)為是剛性的，這樣假設(shè)后不考慮機(jī)體內(nèi)力。式中部分計(jì)算公式為：

2.2 視景仿真

視景仿真采用Prepar3D（以下簡(jiǎn)稱(chēng)P3D）實(shí)現(xiàn)。P3D是由洛克希德·馬丁基于微軟模擬飛行FSX開(kāi)發(fā)的一款針對(duì)教育、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)以及軍方定制的模擬軟件。

基于P3D的視景程序可擴(kuò)展為沉浸式交互環(huán)境，可采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶(hù)借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生沉浸于等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。新一代的P3D V3開(kāi)放了基于Oculus虛擬眼鏡的視景及座艙環(huán)境開(kāi)發(fā)。

2.3 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化軟件可在飛行過(guò)程中記錄并實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，飛行結(jié)束后，可依用戶(hù)指定的頻率，對(duì)指定的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)記錄成功后，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正常或快速回放，將數(shù)據(jù)以二維或三維的形式進(jìn)行顯示。圖4為飛機(jī)在爬升過(guò)程中，遭遇結(jié)冰后的飛行數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)飛機(jī)建立飛行動(dòng)力學(xué)模型和飛行仿真模型，實(shí)現(xiàn)Simulink與P3D的聯(lián)合仿真，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)可視化軟件，對(duì)飛行過(guò)程關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并提供了對(duì)飛行數(shù)據(jù)的保存、再現(xiàn)及分析功能，將飛行數(shù)據(jù)參二維曲線(xiàn)的形式進(jìn)行描繪，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)飛行性能的可視化仿真。

參考文獻(xiàn)

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