一种半实物仿真飞行模拟系统开发方法

本发明涉及一种半实物仿真飞行模拟系统开发方法，特别是指基于speedgoat半实物仿真平台和flightgear软件联合仿真的飞行模拟系统的开发方法，涉及算法验证和飞行仿真的技术领域。

背景技术：

目前国内外已经有很多研究机构进行了飞行全数字仿真系统的开发，并将flightgear作为仿真系统的视景平台。例如伊利诺伊大学利用flightgear进行了飞机飞行过程中结冰现象的可视化研究。南京航空航天大学的研究人员利用flightgear进行舰载机滑跃起飞控制的视景仿真研究，分析影响舰载机滑跃起飞安全的因素,在此基础上设计和验证舰载机滑跃起飞控制系统。华中科技大学以flightgear为平台逼真地模拟出飞机刹车的整个过程，提高了飞机防滑刹车系统仿真分析的直观性和效率。

与全数字仿真相比，半实物仿真由于其极高的可靠性和费效比越来越受到航空系统开发者的青睐，国内外涌现出一批半实物仿真的软硬件平台，例如dspace公司开发的dspace实时仿真机，其硬件系统具有高速计算能力的处理器和丰富的i/o接口，软件环境具备代码自动生成、下载以及试验、调试等整套工具。国防科技大学也开发了基于通用微机的“银河仿真工作站”。在这样的背景下，将半实物技术引入飞行仿真系统的开发中，无疑可以提高仿真系统的真实性、可靠性。

技术实现要素：

本发明公开了一种半实物仿真飞行模拟系统开发方法，目的在于提供一种基于多种通信方式的flightgear、speedgoat和pmac的可视化、更接近于真实飞机飞行条件的飞行模拟系统开发方法，实现飞机飞行自动驾驶控制、舵面偏转等一系列算法研究、仿真与虚拟现实演示，为验证操纵舵面偏转影响飞机姿态所要解决的关键技术研究与故障注入的可靠性研究提供有效的验证平台。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

半实物仿真飞行模拟系统开发方法，该方法的实现系统采用开源软件flightgear软件实现虚拟现实，飞行视景演示，采用speedgoat仿真机开发飞机模型以及通讯软件，采用pmac控制器开发飞行控制算法。这三大部分都通过网络交换机进行数据交互，主机与speedgoat仿真机之间采用udp通讯方式，主机与pmac之间采用ethercat通讯方式，实现半实物仿真飞行模拟系统。该系统为实时联合仿真，联合仿真的具体步骤如下：

步骤(1)、在windows系统下建立flightgear的启动文件，对flightgear软件作基础配置，比如选择某类型飞机的三维模型，确定安装文件位置和环境参数等，并对底层的xml文件进行修改，使各参数符合要求，即变量名与视景软件和仿真软件对应；

步骤(2)、在speedgoat仿真机的开发平台上搭建飞机模型，飞机模型包括飞机动力学模型和飞行环境模型，飞机模型为六自由度非线性模型，飞行环境模型包含大气参数变化和风场等因素；

步骤(3)、在speedgoat仿真机的开发平台上设计与flightgear软件的通讯接口，生成runfg的批处理文件，修改批处理文件中的参数，以确保信息在仿真软件和flightgear视景软件之间正确传递；

步骤(4)、在pmac控制器中设计飞行控制算法，将控制指令传给speedgoat仿真机中的飞机模型，同时接收飞机模型的反馈信号；

步骤(5)、利用flightgear软件将speedgoat仿真机中的飞机运动模型以可视化方式呈现出来，实现飞机飞行自动驾驶控制、舵面偏转等一系列算法研究、仿真与虚拟现实演示。

本发明所述的底层xml文件是flightgear自带的飞机三维模型文件，里面的参数变量名要根据flightgear的属性树进行修改，并且与speedgoat通讯软件中的指令集相对应，当runfg文件运行时，指令根据xml文件将控制信号、飞机姿态等信息写入flightgear对应的数据变量接口中，从而实现speedgoat与flightgear的通信。

进一步地，flightgear三维显示飞行轨迹，飞机姿态会随着舵面偏转改变，且能明显观察到舵面的转动。

本发明所述的飞机模型，包括飞机动力学模型和飞行环境模型，udp协议通信，与flightgear的通讯接口都是在speedgoat仿真机的开发平台上设计的。

进一步地，在speedgoat中建立飞机的六自由度非线性模型和飞行环境模型，可实现手柄输入的飞机手动控制，总体模型表达式为：

在上式中，和分别为飞机的状态矢量和舵面输入量，为机体坐标系下的外力，为机体坐标系下的外力矩，为机体相对于地面的角速度矢量，为飞机的速度矢量，m为飞机质量，ib为飞机的惯量矩阵，h(φ)为机体参考系和地面参考系之间的旋状矩阵。

在建立飞机非线性模型的基础上，可以在典型的飞行模态下进行控制和分析，利用线性模型进行控制律的解算。进行线性化后的纵向飞机模型表达式为：

其中，δu和δw为机体坐标系的速度，δθ和δq分别为俯仰角和俯仰角速度，δδe为升降舵偏角，δδt为油门，[abody]和[bbody]是机体坐标系下的状态空间方程矩阵。

本发明所述的pmac控制与主机以ethercat通讯方式交换数据，飞行控制算法和故障注入在pmac中开发平台中搭建，由pmac控制器完成舵机控制的反馈闭环。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明充分利用了flightgear的强大视景显示和xml格式配置文件，并在speedgoat仿真机平台上搭建了飞机模型以及通讯结构，在pmac里设计了控制舵面的飞行控制算法，通过网络构成了半实物仿真飞行模拟系统，使操作人员能直观的操纵飞机飞行，并呈现在显示器或者投影幕布上。此外，本发明的基础是半实物仿真，所以为研究飞行控制科研人员提供了算法验证平台，能够使科研人员将更多的精力花费在飞行控制算法研究上。

本发明创新主要在两点：一是，将半实物仿真与飞行模拟有效的结合起来，开发周期短，演示效果好，更接近真实飞机飞行情况；二是，运用speedgoat仿真机和flightgear软件能清楚的看到飞机舵面偏转对飞机姿态的影响，不需要三轴转台。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的系统中半实物仿真的说明图；

图3为修改flightgear软件原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种半实物仿真飞行模拟系统开发方法，该方法包括：

采用开源软件flightgear软件实现虚拟现实，飞行视景演示，采用speedgoat仿真机开发飞机模型以及通讯软件，采用pmac控制器开发飞行控制算法。这三大部分都通过网络交换机进行数据交互，主机与speedgoat仿真机之间采用udp通讯方式，主机与pmac之间采用ethercat通讯方式。

本实例在pc主机windows系统下建立flightgear的启动文件，对flightgear软件作基础配置，比如选择某类型飞机的三维模型，确定安装文件位置和环境参数等，并对底层的xml文件进行修改，使各参数符合要求，即变量名与视景软件和仿真软件对应。

在speedgoat仿真机的开发平台上搭建飞机模型，飞机模型包括飞机动力学模型和飞行环境模型。飞机模型为六自由度非线性模型，飞行环境模型包含大气参数变化和风场等因素。

除此之外，还要在speedgoat仿真机中设计与flightgear软件的通讯接口，生成runfg的批处理文件，修改批处理文件中的参数，以确保信息在仿真软件和flightgear视景软件之间正确传递。

在pmac控制器中设计飞行控制算法，将控制指令传给speedgoat仿真机中的飞机模型，同时接收飞机模型的反馈信号，形成系统闭环。

飞机六自由度非线性模型具体的算式表达式为：

在上式中，和分别为飞机的状态矢量和舵面输入量，为机体坐标系下的外力，为机体坐标系下的外力矩，为机体相对于地面的角速度矢量，为飞机的速度矢量，m为飞机质量，ib为飞机的惯量矩阵，h(φ)为机体参考系和地面参考系之间的旋状矩阵。

在建立飞机非线性模型的基础上，可以在典型的飞行模态下进行控制和分析，利用线性模型进行控制律的解算。进行线性化后的纵向飞机模型表达式为：

其中，δu和δw为机体坐标系的速度，δθ和δq分别为俯仰角和俯仰角速度，δδe为升降舵偏角，δδt为油门，[abody]和[bbody]是机体坐标系下的状态空间方程矩阵。

最后在pmac中搭建上述线性化后的纵向飞机模型的控制算法，以及故障注入程序，由其完成舵机控制的反馈闭环。

本实施例将半实物仿真和飞行模拟有效的结合起来，pmac控制器作为飞机上真实的飞控计算机，去控制speedgoat仿真机中的虚拟飞机模型，利用flightgear软件将speedgoat仿真机中的飞机运动模型以可视化方式呈现出来，实现飞机飞行自动驾驶控制、舵面偏转等一系列算法研究、仿真与虚拟现实演示。

基于附图2，说明本发明中选用的半实物仿真类型，具体含义如下：

半实物仿真分为硬件在环(hil)和快速控制原型(rcp)。本发明选择的是hil半实物仿真，即控制器是真实得控制器，飞机是在仿真机中运行的数学模型，不是真实的飞机。rcp半实物仿真与之相反。

本实施例对该系统选择的半实物仿真类型作了解释说明，以便区分其他类型的半实物仿真。

基于附图3，说明修改flightgear软件使其与speedgoat仿真机通讯的原理，具体原理如下：

首先要找到flightgear的一系列脚本文件，即xml文件，定位到其自带的飞行动力学系统的xml文件，把它屏蔽掉，以方便引入我们在speedgoat仿真机中搭建的飞行模型。为通讯作预备工作；flightgear软件与外部通讯有多种输入输出方式，这里我们选择的是网络i/o；最后修改runfg批处理文件，通过flighgear的视景系统将飞行模拟所需的动画效果展示出来。

本实施例对如何修改flightgear软件使其与speedgoat仿真机通讯的原理进行描述，为系统开发方法提供一定思路。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。