一种模拟飞行训练装置的研究改进

郑嘉铭　陈丽君

【摘 要】模拟飞行把深奥的航空理论知识和日常生活中人们难以接触到的飞行技术介绍给普通人，充满趣味性和科普性。已有模拟飞行训练装置只能针对飞机和场景进行模拟，无法用于控制方法研究，且无法实现自动飞行。本文借助MATLAB编程工具建立了飞行仿真模型，驱动FlightGear实现了飞行仿真的可视化，以及飞行器的人工操纵和自主飞行，拓展了模拟飞行训练装置的用途。

【关键词】模拟飞行；训练装置；仿真模型

0 引言

模拟飞行是通过专门的软件和硬件设备对真实世界飞行及其各种元素在计算机中进行仿真模拟的一项航空科技活动。在模拟飞行中，对空气动力、气象、地理环境、飞行操控系统、飞行电子系统、战斗飞行武器系统、地面飞行引导等都进行了高度仿真的模拟，并通过外部硬件设备进行飞行仿真操控和飞行感官回馈。通过此项活动，能够丰富航空航天知识，增强思维敏捷度，锻炼手脑协调能力和毅力，提高快速应变能力，而且可以了解航空文化、培养航空情怀、树立航空志向，以后成长为优秀航空后备人才。

2013年中国航空学会在全国范围内开展青少年模拟飞行科技活动，我们购置了模拟飞行训练器。该模拟飞行训练器能够单人操控，能够全方位多功能模拟民航飞机的各项仪表与操纵技巧，可以训练大家模拟飞行驾驶技巧。

但在使用过程中，发现该平台存在只能针对现有飞机和场景进行飞行操纵模拟，无法用于飞机控制方法的改进、无法实现自动飞行及效果验证等缺点，本文结合FlightGear软件研究了一种改进方法，拓展了模拟飞行训练装置的用途。

1 模拟飞行训练器平台原理

模拟飞行训练器硬件平台由三屏输出显示器、飞行操纵装置、飞行模拟仪表等组成。三屏输出显示器能够生动的模拟出真实飞行时驾驶员所处的状态；飞机操纵装置模拟了升降舵、航向舵、副翼操纵，油门开度，襟翼收放，起落架收放等飞机常用操纵；飞机模拟仪表具有点火起飞，灯光控制，电源、航电、油泵数据显示，并且加入了通讯导航电台和自动驾驶仪信息的显示。模拟飞行训练器平台如图1（a）所示。

模拟飞行训练器配套软件平台为微软模拟飞行，微软模拟飞行用户界面如图1（b）所示。微软模拟飞行提供了许多机型和24000多个机场，用户可以选择自己喜欢的类型来自由驾驶。控制便捷，加上逼真的座舱和真实的人工智能相结合，进行模拟飞行更加轻松自如。微软模拟飞行以不同视角模拟了飞行器操纵的整个过程，可以满足各种专业和业余玩家的不同需求。允许玩家通过网络与其他玩家进行交流[1]。

随着仿真技术的发展，基于可视化交互仿真技术，利用先进的仿真工具搭建具有高效和安全实用等优点的飞行仿真系统进行模拟仿真，已经逐渐成为工程实践中必不可少的工作之一。作为开发者，能够将自己设计的控制律对飞行器的影响直观的呈现在屏幕上，这对控制律的改进有着重要的意义。但微软模拟飞行在软件定位上以学习训练为主，缺乏专业性，并且许多内部参数无法通过第三方软件进行读取和修改，这就给二次开发带来了阻碍。所以需要找到一款利于二次开发，外部接口丰富的飞行模拟软件进行代替。

2 基于FlightGear的飞行仿真

在这里，选择FlightGear作为模拟飞行训练器的软件平台。FlightGear具有高度自由的代码、精确详细的飞行环境、灵活开放的飞行器建模系统，以及合理的硬件要求等特征[2]。而且具有开放式的程序构架和预留的外部数据输入/输出接口，特别是MATLAB的Simulink工具箱中集成了FlightGear的数据接口，为二次开发提供了便利[3]。

FlightGear的这种特性提供了一种思路，利用MATLAB的Simulink工具箱建立的飞行器动力学模型，通过Simulink工具箱中FlightGear的数据接口将飞行器动力学模型与FlightGear中的3D飞行器物理模型与视景模型相结合，从而构成可视化的交互仿真技术平台。

2.1 Flightgear与模拟飞行训练器的连接

要把微软模拟飞行软件平台替换为FlightGear软件平台，在硬件平台与软件平台连接时，我们需要遵循以下两个步骤。

2.1.1 软、硬件平台配对

FlightGear可以支持多种输入设备，它会自动检测连接上的硬件设备（驾驶杆、脚蹬等），在将本文所述硬件平台所有设备与计算机接口相连后，进入Flightgear，载入飞机后，在其下拉菜单中选择Joystick configuration，即可进入控制器的键位调试界面。通过Joystick模块观察FlightGear检测到了哪些硬件设备，并设置相应功能。

2.1.2 软、硬件设备绑定

在第一步中，会存在一些硬件平台设备无法被FlightGear识别，这是因为对于每一个设备都需要一个对应可扩展标记语言（XML）文件支持，文件描述了硬件平台操纵设备对应了FlightGear的什么功能。通过编辑配置XML文件，可以帮助驱动找到硬件设备，并且规定其对应功能。

2.2 飞行器模型

我们选择B-2隐形战略轰炸机为仿真模型，仿真模型主要包括以下2个模块：

（1）飞机动力学模块。该模块是整个仿真系统中主要的解算部分，通过分析飞行器的构造和运动过程，飞行器的运动可以用六个自由度来表示（三个方向的平移和三个方向的转动），分别纵向速度、侧向速度和法向速度，以及滚转角度、俯仰角度、偏航角度。

（2）环境模块。环境模型包括了标准大气模型、风模型和重力模型。其中标准大气模型提供大气参数。风模型输出风速矢量。重力模型计算出不同地理位置处的重力。此外还包括气动力系数模块、推力系统模块、起落架模块、控制系统等模块[4]。

2.3 FlightGear接口设计

使用MATLAB和FlightGear进行飞行仿真的流程如图2所示。FlightGear提供了足够的飞行器和真实环境的3D模型，需要在MATLAB中设计能够正确和FlightGear进行数据交换的接口即可。通过分析可知，建立好的动力学模型需要从Flightgear中获得导航信息，周围环境信息，地理位置信息等飞行器正常运行的外部环境信息。Flightgear也需要接收MATLAB中动力学模型的信息反馈[5]。

FlightGear和MATLAB进行联合仿真的数据传递需包括：一个用于设置数据输入的打包子模块，一个将数据发送到FlightGear的数据子模块，以及一个用于设置仿真速率的子模块。依照以上分析，在MATLAB中设计FlightGear接口（部分）如图3（a）所示。

为了在启动Flightgear时得到需要的初始条件（如场地、时间、天气等），需要创建一个运行脚本，见图3（b），采用Generate Run Script 模块来实现。

3 飞行模拟示例

本文以使用MATLAB Simulink建立的B-2隐形战略轰炸机模型联合FlightGear进行仿真，设该飞行器的巡航高度为11000米，巡航速度为0.6马赫，得到配平的迎角为3°，俯仰角为3°，油门开度之和为0.3327，升降舵偏角之和为-4.4752°。仿真分为两部分，第一部分利用仿真平台的硬件设备对FlightGear里的仿真模型进行进行模拟驾驶，第二部分是在第一部分的基础上模拟飞机自适应调节的过程。最终实现的仿真效果为MATLAB仿真曲线和FlightGear三维视景同时输出。

在第一部分中，将仿真模型与FlightGear正确连接口，使用Generate Run Script模块创建运行脚本，运行脚本文件后，完成FlightGear中飞行器和周围视景的初始化。在FlightGear上显示需要进行仿真的飞机，通过硬件平台的飞行操纵装置对飞机进行舵面等一系列执行机构的操纵，实现模拟驾驶。并可以通过模拟仪表观察飞机相应参数。第一部分的人工操控飞行仿真如图4（a）所示，实现通过硬件平台的输入设备（操纵杆，脚蹬等）结合FlightGear产生的三维视景对建立的飞行器仿真模型进行操控。

在第二部分中，在第一部分的基础上通过控制律对飞行器进行跟踪调节，从而实现飞机稳定飞行，在FlightGear上观察飞机自我调节的过程，同时在MATLAB中输出跟踪曲线。并且输出油门、迎角角度、俯仰角速率等参数。第二部分结合控制律的自主飞行如图4（b）所示。

在FlightGear对飞机的运动状态进行直观显示的同时，MATLAB也对仿真系统的若干参数进行了曲线的实时输出。

图5（a）给出了B-2飞行器在控制律的作用下系统的跟踪过程，虚线表示的是给定的参考信号，实线表示的是实际的速度和俯仰角变化曲线。图5（b）给出了迎角和俯仰角速率的响应曲线。

4 结束语

本文利用MATLAB和FlightGear对模拟飞行训练器进行了改进。改进后的系统可以用做可视化仿真模拟飞行，对飞行器姿态三维实时显示的同时通过仿真曲线描述飞行状态参数，并可对飞行器控制律进行优化设计，实现人工操纵和自主飞行两种仿真模式，拓展了模拟飞行训练装置的用途。

【参考文献】

[1]王强.利用微软模拟飞行进行A320程序训练[J].中国科技信息，2012（6）：83～87.

[2]FlightGear Introduction.http：//www.flightgear.org/[OL].

[3]周建兴，岂兴明，矫津毅.MATLAB从入门到精通[M].人民邮电出版社，2008.

[4]蔚海军.基于FlightGear的直升机飞行模拟系统研究[D].大连理工大学，2008.

[5]郭卫刚，韩维，王秀霞.基于MATLAB/FLIGHTGEAR飞机飞行性能的可视化仿真系统[J].实验技术与管理，2010（10）：13～15.

[责任编辑：王楠]