Matlab/FlightGear直升機視景仿真研究

應 進，潘浩曼，代冀陽，陸 歡

(南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063)

對直升機飛行性能的研究和飛行品質的評估涉及多門交叉學科的高、精、尖技術，是國防建設迫切需要的研究內容，而利用飛行仿真平臺進行研究和評估則是一種經濟、有效的途徑。目前，飛行仿真平臺[1]在軍事和民用領域都有廣泛的應用，它可以安全地重現多種飛機失效狀態，有利于研究人員分析和解決相關難題。但現有的仿真一般只能提供數值形態的計算數據，不夠直觀，對控制系統中非常見形態的缺陷很難發現。針對這些問題，建立更加直觀的三維視景仿真平臺成為直升機飛行仿真的一種發展趨勢。

筆者在滿足飛控設計仿真需求的基礎上，開發了一種Matlab/Simulink環境下基于FlightGear飛行模擬器軟件的直升機三維視景仿真平臺[2]，主要用于直升機各項結構參數的選取以及飛行性能的設計、測試和優化，通過仿真計算來減少設計定型時間以及實驗中的風險，全面、直觀地展現直升機控制的總體結構、飛行姿態信息的變化及各種控制算法的控制效果，為科研人員提供一個科學、有效的綜合分析工具。

1 視景仿真平臺的總體架構

本仿真平臺針對直升機視景仿真的特點[3]，自定義通信協議，使用Matlab/Simulink仿真工具，通過串口UART模塊將直升機飛行姿態數據在Decode_Box模塊內部接收并解碼；然后通過數據映射公式對數據進行處理；在此基礎上，利用Simulink軟件提供的FlightGear飛行模擬器外部數據輸入/輸出API[4]接口，即UDP_FlightGear模塊，將飛行姿態仿真數據通過UDP網絡協議予以實時傳輸；最終，驅動FlightGear可視化引擎，實現直升機飛行仿真姿態數據的三維實時可視化顯示[5]。基于上述思想構建的仿真平臺總體架構如圖1所示。

圖1 視景仿真平臺總體架構框圖

2 視景仿真平臺的建立

2.1 自定義通信協議的原理

針對直升機仿真姿態數據量值多、精度高、更新速度快等固有特點，筆者為本平臺設計并建立了一套行之有效的通信協議，在Simulink中采用串入并出的方式實現了仿真數據的成功導入。

直升機飛行仿真姿態數據包括：偏航角(Yaw)ψ、俯仰角(Pitch)θ和滾轉角(Roll)φ[6]。考慮到仿真的精度要求，每個數據采用16位2進制數據表示，將Yaw、Pitch、Roll的值分別以高8位Yaw_H、Pitch_H、Roll_H和低8位Yaw_L、Pitch_L、Roll_L的形式存儲。在此基礎上，通過添加數據幀頭、幀尾，將數據進行有序的編碼，形成自定義通信協議，系統通過檢測幀頭識別碼定位有效數據，完成數據的傳輸。協議的幀格式如表1所示。

表1 自定義通信協議編碼結構

2.2 通信協議解碼方法

系統采用自定義通信協議，以串行幀格式數據的形式導入數據。由于系統對于串行數據采集[7]的切入點是隨機出現的，往往不在第0位CC上，所以如果采用一次性讀取0—10共計11個數據，并將前4位與幀頭識別碼進行比對的解碼方式，會造成解碼效率低下、有效數據嚴重丟失、系統實時性變差等不良后果。鑒于此，本平臺采用通過“滑動窗口”高效尋找幀頭并定位有效數據的數據幀解碼方法，取得了良好的實際應用效果。

該方法可以形象地理解為用一個4孔的窗口“框”在數據幀上，通過窗口相對串行數據的向右滑動篩選并定位特定的數據幀頭識別碼。系統用R0、R1、R2、R3這4個變量保存待檢測串行數據，并全部初始化為00。假設系統采樣點不恰好在幀頭，而是位于幀頭前一位，即隨機值0xFF，程序先判斷邏輯表達式：

If(((R0!=0xCC)&&(R1!=0x33)&&(R2!=

0x06)&&(R3!=0xA1)))

在R0=0xCC、R1=0x33、R2=0x06、R3=0xA1不能同時成立的情況下，程序將新接收到的數據保存在R3中，并將R3、R2、R1中原來的數據保存位置向R0移動一位，而R0中原有數據丟棄，由此得到：

R0 = 0x00；

R1 = 0x00；

R2 = 0x00；

R3 = 0xFF；

第二次接收到數據后按照上述程序處理方法得到：

R0 = 0x00；

R1 = 0x00；

R2 = 0xFF；

R3 = 0xCC；

……

第四次解碼處理后：

R0 = 0xCC；

R1 = 0x33；

R2 = 0x06；

R3 = 0xA1；

至此，通過“窗口”滑動的方法篩選出幀頭識別碼，高效定位有效數據位置。

“滑動窗口”串行幀格式解碼程序部分代碼如下：

……

if( (R0 != 0xCC)&&(R1 != 0x33)&&

(R2 != 0x06)&&(R3 != 0xA1) )

{

R0 = R1;

R1 = R2;

R2 = R3;

R3 = RX_DATA;

Received = 0;

}

else

Received = 1;

……

2.3 飛行仿真姿態數據的量值適配算法

飛行仿真解碼得到的姿態數據變化范圍如下：

偏航角ψ：0°～360°；

俯仰角θ：-90°～90°；

滾轉角φ：-180°～180°。

但是FlightGear視景軟件輸入驅動數據取值范圍[8]數值較小：

偏航角ψ：-3.6～3.6；

俯仰角θ：-1.8～1.8；

滾轉角φ：-3.6～3.6。

因此，無法直接使用解碼得到的仿真數據，而需要進行量值的轉換，其幅值映射公式如下：

Yaw_FG=(((Yaw_H<<8+Yaw_L)/10)*0.2-3.6)

Pitch_FG=((Pitch_H<<8+Pitch_L)/10)*0.2

Roll_FG=((Row_H<<+Roll_L)/10)*0.2

其中Yaw_FG、Pitch_FG、Roll_FG分別代表FlightGear軟件輸入偏航角、俯仰角、滾轉角數據。Yaw_H和Yaw_L為依據上述自定義通信協議，經解碼后得到仿真數據偏航角的高8位和低8位[9]。依據映射公式，將高8位數據左移8位后和低8位數據做求和運算，得到偏航角數據，幅值0.0～360.0，精度0.1°。經過偏航角數據還原，先將數值縮小10倍，幅值限制在0～36.0，再將得到的值縮小到原來的1/5倍，此時幅值范圍為0.00～7.20，最終通過做差運算減3.6，將偏航角的變化范圍映射到-3.60～3.60之間。同理，通過類似運算轉換，將俯仰角變化范圍映射到-1.80～1.80，滾轉角變化范圍映射到-3.60～3.60，滿足FlightGear軟件數據輸入要求。

2.4 FlightGear視景軟件UDP端口的設置

FlightGear作為一款優秀的開源飛行模擬器[10]，為用戶預留了多種輸入輸出接口，方便用戶對其功能進行擴展。FlightGear的輸入信息為直升機六自由度信息，根據設計方案，使用FlightGear飛行模擬器接收外部數據驅動視景模塊，顯示直升機飛行姿態。作為UDP網絡通信的一端，需要對FlightGear的網絡端口進行設置。

FlightGear飛行模擬器自身具備了完善的網絡通信能力，只需要在設置面板上對網絡通信的參數進行設置，即可完成飛行仿真系統的UDP網絡通信[11]。首先進入FlightGear飛行模擬器的設置界面，選擇Advanced Options選項，進入選項卡。

在選項卡中選擇Input/Output選項，再選擇native-fdm協議[12]、UDP通信模式，設定該協議為輸出，選擇主機名為仿真軟件設定的靜態IP，更新率為20 Hz，指定端口為5000；選擇native-ctrls協議、UDP通信模式，設定該協議為輸入，其余設置與前面相同。然后點擊“OK”即可完成FlightGear飛行模擬器的網絡通信設置。

3 系統仿真效果

在解決模塊間通信、姿態數據解碼和姿態數據量值適配的基礎上，以BO105直升機[13]為例，對其動力學模型相應的飛行控制器的控制效果進行驗證，并最終通過FlightGear飛行模擬器三維視景輔以傳統的波形輸出予以展現。系統Simulink工程如圖2所示。

圖2 視景仿真系統Simulink工程

圖3、圖4、圖5分別是視景仿真平臺運行中直升機3D模型在外部飛行姿態數據驅動下從不同視角的顯示效果。

圖3 直升機3D模型仰視圖

圖4 直升機3D模型側視圖

圖5 直升機3D模型后視圖

在進行直升機三維顯示的同時，飛行器的姿態信息還以波形的形式予以輔助呈現。圖6顯示了仿真平臺運行過程中直升機的Yaw、Pitch、Roll飛行姿態信息。

圖6 直升機俯仰角θ、偏航角Ψ、滾轉角φ

在整個仿真過程中，直升機飛行姿態清晰直觀，再輔以波形顯示，使飛行控制器對飛行器動力學模型的控制效果得到了很好的展現，達到了預期設計目標。

4 結束語

本文在Matlab/Simulink環境下綜合運用多種工具軟件，設計并實現了一個功能完善的Matlab環境下基于FlightGear視景的直升機飛控仿真研究平臺。通過BO105直升機的飛行仿真實例表明，本飛控仿真平臺能夠很好地展現飛行仿真中飛行器姿態信息等相關數據，且使用方便、易于維護。此平臺具有很好的擴展性，經過修改還可用于車輛、導彈、船舶等視景仿真，有著廣闊的應用前景，目前此仿真平臺運行狀態良好。

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