基于Flightgear轻型飞机动力学三维视景仿真研究

侯玉洁 院老虎

【摘 要】飞行控制与管理计算是飞行器飞行控制系统的关键组成部件，因此，基于 Flightgear 开发轻型飞机的三维可视仿真系统势在必行。本文对仿真系统进行了具体分析，为了动力学的控制算法的研究以及飞行器的试飞工作提供一个仿真实验平台，建立基于 Flightgear飞行控制系统仿真环境。通过仿真系统做大量的测试研究，应用至轻型飞机飞行控制系统的设计过程中。对飞行性能进行评估并降低试飞的风险和成本，具有结构简单造价低廉的特点。

【关键词】Flightgear 轻型飞机 动力学 仿真

基于Flightgear动力学三维视景仿真是以轻型飞机为基础，在实验室环境中对飞行器进行飞行规律的研究。采用动力学分析理论结合 OpenGL 三维动态显示技术，对其进行动力学三维视景仿真。利用 Flightgear 开放平台进行飞行可视仿真，建立各部分的动力学分析模型。在飞行器真正试飞之前，对飞机进行设计特点分析。构建全功能、全动态的三维可视飞行仿真系统，解决目前因缺少高置信度动力学模型致使一些控制律设计工作无法有效开展的问题。

1轻型飞机动力学三维可视仿真研究背景与现状

仿真测试设备是在某轻型飞机六自由度非线性数学模型实时仿真的基础上， 进行三维可视模型的设计。在飞行控制系统设计的整个周期内需要检验飞行控制系统的正确性与可靠性，利用 Flightgear 完成飞行日志的记录和视频的回放。鉴于现阶段国内的动力学分析中，系统实施所需要的软硬件环境和实施过程。除了非线性动力响应分析以外，还需考虑多门交叉学科的高、精、尖技术。根据总体模态及其特征值结构参数设计、空气动力学特性、控制算法等，建立一套可行可靠的飞行控制系统仿真环境。验证飞行器的控制律设计，检验飞行控制系统的功能和性能。

2轻型飞机三维可视仿真研究的理论基础

轻型飞机与大飞行器相比有明显的差异，动力学模型通常不能直接利用静力分析。它的总体响应及其动载荷都是新的研究领域，在模态分析时将会引入局部振动模态和频率。各项参数以及飞行性能等的设计、测试需要进一步优化，给以后的响应分析带来麻烦。因此开发飞行仿真软件以减少设计定型时间以及实验中的风险，通过传感器仿真和执行机构（操纵舵面）的动力学特性仿真来进行参数设置和运行控制。

（1）三维可视化的研究是一个很重要的研究方向，其中模态分析的结果对各种响应分析将起决定性影响。建立视觉仿真系统，通过遥控/遥测控制台用于对飞行控制计算机发送遥控指令。三维视景显示能够直观、动态的再现飞行过程，控制飞行模态。飞行数据进行有利于发现控制系统的缺陷，制订动力学分析模型的简化原则。对总体结构和运动情况产生直观的形象显示，减少实际试飞中产生的一些错误的结果。系统的运行情况表明，Flightgear丰富的可视化界面为仿真提供了友好的监控界面。

（2）飞行控制技术是一门新兴学科，其重要程度不言而喻。以某轻型飞机的三维模型为基础对其进行仿真分析，及时进行修正。在总体仿真中计算其固有模态，体现飞行时位置、姿态的变化及各种控制算法的控制作用。轻型飞机具有较强的非线性特性，以此掌握飞行器的控制方法。各通道存在很强的耦合，有效控制可以降低试飞的风险和成本。随着一些新技术的出现，科研试飞行控制仿真系统其主要难点还是在于行控制系统对软件执行的实时性。轻型飞机还有力地推动了飞行仿真系统的技术创新，有其它飞行器无法取代的作用。

（3）基于 Flightgear自带动力学模型的飞行控制系统仿真环境，根据仿真目的达到非常逼真的仿真效果。在进行轻型飞机科研试飞过程中，尽管采用多项先进技术但仍然会出现一些问题。所以结合计算机、通信等技术建立较为准确的飞行动力学模型，使用动力学模型数据驱动各种模型进行飞行仿真。避免造成由于飞行控制系统设计不当产生的损失，具有很高的实时性。开发了可视化的客户端界面，并且为下一步的飞机动力学稳定性、固有特性和颤振特性分析打下基础。完成了飞行器模型的载入、定位、数据处理以及 FlightGear 与数据模块的通信过程，减少实际试飞中产生的一些错误的结果。

3 Flightgear 的框架结构及仿真环境

Flightgear框架结构主要包括四大组件： OpenGL、Plib、SimGear和 Flightgear Based Simulation，共同为轻型飞机的控制算法的研究以及飞行器的试飞工作提供一个仿真实验平台。Flightgear作为一个通用的飞行模拟系统，其仿真系统可以做大量的测试研究工作。各模块之间关系基于 Flightgear的飞行控制系统仿真环境，结合图形处理与图像生成技术建设动力学模型。

（1）Flightgear是一款由全世界志愿者共同开发和维护的开源飞行模拟软件，是计算机技术， 音响技术，控制技术等多种高科技的结合。Flightgear从最初粗糙的空气动力学模型开始，延伸人类感觉器官。采用计算机图形图像技术，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特性。构造仿真对象的三维模型再现真实的环境，对飞机空气动力特性进行仿真。显著改善科研试飞次数，在轻型飞机飞行控制系统的研制过程中起到不可磨灭的作用。

（2）现在的实时三维计算无论在硬件方面还是配套软件方面都已经比较成熟，其中Flightgear各模块中动力学系统是系统的核心部分。结合良好的集成开发环境（如微软 Visual Studio），通过模拟飞行器不同部分的气流方法进行仿真解算。其目的都是在飞行器真正试飞之前，对飞行控制系统的输入做出反应。即在实验室环境中对飞行器进行飞行规律的研究，是较复杂的多输入多输出系统。利用工作站建立仿真工作平台，已经成为实现轻型飞机工程化和实用化的关键技术之一。

参考文献：

[1]蔚海军.基于Flightgear的直升机飞行模拟系统研究[D].大连：大连理工大学，2014.

[2]黄华，徐幼平，邓志武.基于Flightgear模拟器的实时可视化飞行仿真系统 [J].系统真学报，2014，19（19）：4421-4423.

大学生创新创业项目：项目名称：基于Flightgear轻型飞机动力学三维视景仿真研究，项目编号：DXC140111。