面向對象與應用框架的飛行仿真軟件開發方法

云 超，李小民，鄭宗貴，劉 品

（1.解放軍軍械工程學院無人機工程系，河北 石家莊 050003；2.第二炮兵研究院，北京 100085；3.西安軍代局駐203所軍代室，陜西 西安 710065）

0 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicles）是一種由動力驅動、機上無人駕駛、可重復使用的航空器［1］。飛行模擬訓練器具有節能、經濟、安全、不受場地和氣象條件的限制、縮短訓練周期、提高訓練效率并且可以節省大量的經費等突出優點，尤其是一些真實飛機難以實現的危險訓練科目以及不易處理的飛行故障，在飛行模擬器中均可實現［2］。無人機已經廣泛地應用于各種軍事行動并已經裝備部隊，為減少平時訓練時頻繁實飛裝備帶來的風險和不必要的損失，可以采用飛行仿真系統（飛行模擬訓練器）替代真實裝備進行訓練，飛行仿真系統的逼真度直接影響模擬訓練的效果。

飛行仿真軟件作為整個飛行仿真系統的核心部分，其設計優劣直接影響到仿真系統的模擬真實程度。飛行仿真軟件主要涉及數學建模和軟件編程的工作。目前，傳統的飛行仿真軟件的開發方法在很大程度上已不能適應于復雜軟件系統的開發，從而難以使軟件的質量到以保證。為解決傳統面向過程的飛行仿真軟件在開發過程中面臨的開發效率低、可重復利用率差、可維護性不高等缺點，需要將新的開發方法引入到飛行仿真軟件的開發過程中［2－3］。

飛行仿真系統由多個子系統組成。各個子系統之間還存在著復雜的關聯關系。因此，構建一個合理、高效的仿真平臺顯得更為重要。傳統的面向過程的飛行仿真軟件的開發則缺少統一的標準，開發仿真軟件和使用仿真軟件的不是相同的人，即一部分人開發飛行仿真軟件提供給另一部分人使用。由于飛行仿真系統在硬件、軟件和接口上的差別，需要仿真開發人員從頭去消化理解源程序，并依據新的需求與環境重新設計仿真軟件，這樣會耗費大量的精力和時間。因此，需要采用新方法、新手段研究飛行仿真系統的組成結構與關聯關系，為飛行仿真軟件的開發和實現提供技術支撐。

1 飛行仿真軟件開發方式

1.1 面向過程的軟件開發方法

傳統飛行仿真軟件的開發都是采用面向過程的匯編語言、Fortran語言和C語言，仿真軟件主要運行在專用的計算機上，這些軟件雖然簡練，但其維護性和可擴展性缺很差。隨著飛機系統的復雜度越來越高，飛行仿真軟件的復雜度也越來越高。例如，一臺D級的模擬訓練器其內部的軟件代碼就有幾百萬行，傳統的軟件開發方法編寫這樣的軟件已變得越來越困難。要解決此問題，就需要對飛行仿真軟件的構造及實現方法進行深入的研究。

FlightGear是開放源代碼的飛行仿真游戲，它為飛行仿真軟件提供了先進的飛行模擬框架。Eric F.Sorton等人［4］使用FlightGear進行無人機的研究；LaSRS＋＋［5－6］采用C＋＋開發的面向對象的飛行仿真框架，但由于其源代碼不對外公開，所以無法進行研究和借鑒。JSBSim［7］是FlightGear內部的動力學仿真模塊，它本身也可以單獨運行。JSBSim是由Jon Berndt進行維護并通過互聯網向全世界分發。

1.2 面向對象技術

面向對象技術是當今飛行仿真軟件開發領域中最引人注意的研究方向之一，面向對象技術是當前開發大型、復雜軟件的主流技術，隨著應用的廣泛和深入，其也在不斷地完善。面向對象建模運用人類習慣的思維方式、認知方法對復雜系統進行面向對象的分析和模塊化的分解，識別出問題域內的實體，提取它們之間的關系，建立問題域的精確、可理解的描述模型，從而達到復雜問題簡單化、大型系統精細化的目的。

面向對象建模可以把客觀世界的實體以及實體彼此間的關系映射為封裝了自己的靜態特征和動態行為的對象集合以及對象之間的關系集合，使用規定的一組運行規律和行為準則實現對象狀態的動態改變，通過不同對象之間的交互協作從而實現模擬系統的所有功能。面向對象技術與應用框架技術為大型、復雜系統的分析與建模提供了可靠的技術支持和有效的工具支撐。它能夠為某一特定領域提供基本功能的一組類，應用系統通過對這組類的使用、修改和擴充，從而達到框架重用的目的。

1.3 應用框架技術

應用框架技術是為某一特定領域提供基本功能的一組類，應用系統通過對這組類的使用、修改和擴充達到應用框架的重用。應用框架技術是以面向對象技術為基礎，它是以軟件復用為核心，用一組抽象類及其之間的相互作用關系來表達應用軟件的體系結構的新型框架復用技術。應用框架是對某一特定應用領域的應用系統的整體或部分的可重用設計，它給出了描述應用系統在總體構造上公共或相似的功能，進而在具體的應用中依據實際需求進行功能定制或擴展。應用框架是一個能夠被開發人員實例化的系統構架。基于框架的系統開發，不僅可以充分利用已有的資源和經驗，縮短開發周期，提高開發質量，而且能夠保證系統體系結構的統一、穩定、清晰，便于理解，擴展方便、易于維護，這正是大型、復雜系統開發過程中需要重點解決的問題。面向對象應用框架采用面向對象的風格規定應用軟件的體系結構。

2 無人機飛行仿真軟件開發方法

飛行模擬訓練系統（也稱飛行仿真系統）是一個復雜的仿真系統，它通常包含大量的數學模型，仿真模型必須能盡可能反應系統的本質特性，即反應飛行器飛行運動的本質特性，在此基礎上再考慮系統的完備性。所以飛行仿真系統中完備的仿真模型不可能一步建立，它應該是一個不斷改進與深入的過程。這就要求模型的可重配置、可變更。使用程序語言表達數學模型并實現仿真功能是仿真系統實現的關鍵。以往模擬訓練系統中的仿真軟件一般都是面向過程的，這對仿真軟件的開發和維護提出了更高的要求。在具體建模時，應采用條理清晰的模塊化、層次化的設計方法。合理的劃分系統的組成模塊，分別進行建模。同時還應建立共性的通用模型，并為各個子系統調用。

飛行仿真系統包含飛行器系統模型和機載設備仿真模型，這些系統模型必須在實時仿真環境下運行，因此被統稱為實時仿真模型。實時仿真模型是模擬訓練系統的核心，它的設計優劣直接決定著整個實時仿真系統的性能，實時飛行仿真軟件的構建重點研究兩方面的內容：一方面是仿真模型類屬結構的設計，類層次結構的合理化是實時仿真系統能否具有重用性、擴展性的關鍵；另一方面是仿真模型的運行機制，合理的運行機制能夠有效的組織管理使整個仿真系統實時、高效的運行［8－9］。

2.1 面向對象的飛行仿真軟件類庫結構

面向對象技術具有抽象、封裝、繼承和多態等特點，因而可以使面向對象技術開發的仿真軟件具有更優良的模塊化、可重用性、靈活性和可維護性等。整個系統在飛行仿真軟件設計采用面向對象的模塊化、層次化的思想，利用C＋＋語言中類的封裝性將每個功能模塊封裝成一個類，各個類在的實現形式如圖1所示。將每個模塊需要保護的功能函數和變量聲明為內部函數和變量，將輸入輸出端口函數聲名為公共函數，作為和其他類通信的端口。

它包含的主要模塊類：運動方程模塊（CFlyDynFunc）；動力系統模塊（或稱發動機系統模塊）（CUAVEngine）；氣動力／力矩系數模塊：該模塊包括六個類，阻力系數類（CplaneCx）、升力系數類（CPlaneCy）、側力系數類（CPlaneCz）、橫滾力矩系數類（CPlaneMx）、偏航力矩系數類（CPlaneMy）和俯仰力矩系數類（CPlaneMz）；質量和轉動慣量模塊類 （CUAVMandI）；標 準 大 氣 模 塊 類 （CstandardAir）。

圖1 無人機仿真軟件中各個模型類Fig.1 Model type of UAV simulation software

2.2 應用框架的飛行仿真軟件運行機制

無人機飛行仿真軟件中包含許多仿真模型，每個模型又是由位于不同等級和層次的多個類組成，通過眾多類對象的實例化，并有條理的組織、管理各個仿真模型實時有序的運行是實時飛行仿真有序、協調運行的重要保證。

通過一個高度的抽象類CUAVModel為仿真系統提供統一的運行框架，采用不同層次和等級的派生類對象過程中，首先進行CUAVModel的初始化，由其提供的重載構造函數來完成。由于組成每個仿真模型的整體類負責各個模型（子系統）之間通訊的輸入接口，在模型運行前要完成其輸入接口變量的更新，因此在實例化整體類對象的同時調用CUAVModel的標準構造函數來記錄整體類對象所對應仿真模型的輸入函數地址，通過抽象類CUAV Model提供的鏈表操作PushIntoLinkedList（CUAVModel＊）為每個整體類對象動態的分配存儲空間，每個仿真模型的整體類對象均作為鏈表中的一個結點，共同維護著抽象類CUAVModel的靜態數據成員——指向鏈首的指針m＿pRoot和指向鏈尾的指針m＿pTail，并通過指向下一對象的指針m＿pNext將各個整體類對象鏈接起來，仿真軟件中類對象的鏈表結構如圖2所示。

組成每個仿真模型的部件類被封裝在整體類中，部件類對象作為整體類的成員對象，需要在整體類對象構建的同時完成部件類對象的實例化，部件類對象實例化前調用CUAVModel的默認構造函數進行抽象類的初始化。當由CUAVModel派生的整體類和部件類都被實例化之后，就實現了各個仿真模型的串聯，然后使用遞歸或循環方式控制仿真模型按順序執行。

圖2 無人機仿真軟件整體類對象鏈表結構Fig.2 Construction of UAV simalation softwave whole objectclass list

CUAVModel提供了各個系統仿真模型的運行框架，其派生類按照統一的框架各自獨立封裝，派生類之間通過接口交互，這樣使得仿真模型呈現出高內聚、低耦合的特征。CUAVModel采用鏈表記錄各個仿真模型的地址，這種方法不僅能夠有效的對各個仿真模型進行調度、管理，而且增加了整個仿真系統的靈活性，新開發的仿真模型模塊可以很方便的鏈接到鏈表中并以相同的方式組織、調用和運行。

3 應用實例

飛行仿真軟件是通過系統仿真模型的程序語言實現的，系統仿真模型是建立在對系統進行正確、合理分析的基礎之上的。首先需要對實際系統特征進行清楚的描述，即識別、抽象、組織、表示系統相關信息，確定系統的基本組成以及它們之間的關系，進而建立層次化、模塊化的對象模型。根據面向對象的建模原則，采用先整體后局部的建模路線，構建了無人機飛行仿真模型，并且定制了仿真模型的運行框架，最后通過運行飛行仿真模型的實時程序來實現無人機系統的運行機理與數據流程。

3.1 無人機飛行仿真系統

通過對無人機飛行仿真系統自上而下的分析，可以描述出不同粒度的子系統的特點和功能，使無人機飛行仿真系統的面向對象模型具備了模塊化、層次化和精細化等特征，并可以成為擴展對象的模型庫，即能夠隨著應用的不同構建不同粒度的仿真模型，無人機飛行仿真系統主要對象的層次結構如圖3所示。

無人機飛行仿真系統按照功能部件和模型等級進行分解，其主要部件包括三部分：飛行環境模型、無人機飛機系統模型和任務設備半物理仿真模型。飛行環境的實時變化影響無人機飛機系統的飛行姿態，而無人機飛機系統則能夠實時控制任務設備半物理仿真模型（機載任務設備）。在仿真系統模型中，層次越高的類對象（無人機飛行仿真系統類對象）具有的職責性越強，它可以負責較低層次對象的組織和管理，層位越低的對象具有的功能性越強，即完成具體功能模塊的解算。無人機飛機系統模型模塊是仿真系統的核心部分，它主要包括：飛控計算機模型、動力系統模型、運動方程模型、機載傳感器模型、機載數據鏈模型等。每個部件模型都被封裝成具有各自特征、而且能完成特定功能的類，每個子系統都可以被映射成反映本系統特征的對象模型。

圖3 無人機仿真系統層次結構圖Fig.3 Construction block diagrana of USA simulation system

3.2 仿真結果分析

為了方便無人機飛行仿真軟調試工作，系統設計初期在Visual C＋＋環境下編寫了用戶操作界面，通過前臺界面的控制輸入達到人機交互的目的，啟動主機可以進入無人機模擬訓練系統設置面，如圖4所示。

圖4 系統初始化界面圖Fig.4 Interface of system initialization

在實際的無人機模擬訓練系統中，這部分是由實裝的無人機地面測控站代替，但用戶操作界面卻是開發調試階段重要的組成分，該用戶界面主要完成的功能：模擬飛行之前，進行無人機系統初始化設置（主要完成飛機機型選擇和起飛前的參數設置），飛行仿真軟件主要負責完成的任務：人機界面的交互、對整個系統的管理與功能設定等。

設置仿真時間為90s，無人機初始速度（Airspeed）為23m／s、初始俯仰角為0°。設置其速度（Airspeed）的穩定值為25m／s、俯仰角（θ）穩定值為1.7°。圖5記錄了飛機空速變化曲線，圖6記錄了飛機俯仰角變化曲線。

圖5 空速仿真曲線圖Fig.5 Airspeed simulation curve

在無人機飛行過程中加入了風干擾作用，即在空速和俯仰角控制率回路加入了隨機的風干擾向量W［x，y，z］，圖5和圖6中的上面仿真圖中W［x，y，z］＝［0，0，0］m／s，而下面仿真圖中W［x，y，z］＝［10，－10，0］m／s，加入風干擾因素能夠再現復雜的空中環境，對無人機地面操控手的訓練提供了相對真實的空中環境。

從典型參數的輸出曲線圖可以看出，在風干擾的環境下，無人機出現了不穩定現象（即飛行參數上下振動頻率加快），這與無人機實際飛行狀況非常接近。從仿真結果來看，基于面向對象與應用框架技術所開發的某型無人機飛行仿真軟件能夠滿足系統的設計目標，且整個系統軟件運行穩定。

圖6 俯仰角仿真曲線圖Fig.6 Elevation angle simulation curve

4 結論

本文針對無人機飛行仿真軟件的開發設計進行了研究，提出了基于面向對象和應用框架技術的無人機飛行仿真軟件開發方法。通過研究無人機系統的功能模塊、層次結構和運行機制，提出了基于面向對象和應用框架技術的三層框架體系的無人機飛行仿真軟件的開發方法，采用該方法開發了實例無人機飛行仿真軟件，仿真結果表明：面向對象技術開發的程序的靈活性和可維護性，更加便于分析、設計和理解；應用框架能夠為特定領域提供軟件運行的基本類，并通過對這組類的使用、修改和擴充達到對應用框架的重用的目的。

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