基于FlightGear的三維可視化飛行控制仿真實驗平臺的設(shè)計

楊姍姍，王 彪

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210016)

基于FlightGear的三維可視化飛行控制仿真實驗平臺的設(shè)計

楊姍姍，王 彪

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210016)

以某種典型的六自由度固定翼飛機模型為基礎(chǔ)，設(shè)計并建立了基于FlightGear的三維可視化飛行控制仿真實驗平臺。該平臺基于Matlab/Simulink編寫飛機模型仿真和飛行控制設(shè)計實驗界面，并與FlightGear直接對接，實時顯示三維立體飛行場景，展現(xiàn)飛行控制過程。平臺界面實時顯示飛行狀態(tài)變量曲線，與飛行場景對應(yīng)，增強數(shù)學(xué)變量與其物理含義之間的相關(guān)性，提升學(xué)生理論聯(lián)系實際的直觀理解。平臺具有很強的開放性，可以由教師演示操作，也可以由學(xué)生主導(dǎo)交互，分步驟分難度讓學(xué)生自主設(shè)計飛行控制系統(tǒng)，有效提高學(xué)生綜合運用飛行控制理論的能力。

飛行控制系統(tǒng)； 三維可視化； 開放式實驗平臺

0 引 言

飛行器控制系統(tǒng)作為飛行器的神經(jīng)中樞，其可靠性、穩(wěn)定性及精確度是飛行器安全飛行和執(zhí)行任務(wù)成功與否的重要保障[1]。因此飛行控制系統(tǒng)課程是航空航天院校自動控制專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，此課程內(nèi)容具有理論性、系統(tǒng)性，同時又有很強的應(yīng)用背景。但是在理論講授時，由于過于抽象和對空間想象力的要求過高，導(dǎo)致學(xué)生對課程理解不透徹，難以形成形象和直觀的認識[2]。因此，高校實驗系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)與專業(yè)方向緊密結(jié)合，才能為培養(yǎng)飛行控制專業(yè)基礎(chǔ)扎實的創(chuàng)新型人才提供支撐[3]。

目前，國內(nèi)各高校自動控制專業(yè)也在建立飛行控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺上有很大發(fā)展。空軍工程學(xué)院[4]和沈陽航空航天大學(xué)[5]等高校均建立了針對各種教學(xué)實驗需求的飛行控制實驗教學(xué)平臺。但這些實驗教學(xué)平臺專業(yè)性和針對性過強，開放性不夠好，不能廣泛應(yīng)用于控制類本科生的實驗教學(xué)，并且不具備三維可視化能力，直觀性較差。

而如今，國內(nèi)外各大航空企業(yè)和研究機構(gòu)，均在建立和發(fā)展飛機可視化仿真實驗室上取得了較大成績，對飛機的研制、培訓(xùn)和使用起到了重大作用。其中，作為國際最著名的跨平臺開源飛行模擬軟件之一，F(xiàn)lightGear不但以其強大真實的飛行仿真功能吸引了眾多的飛行模擬愛好者，而且其開放式的程序構(gòu)架和預(yù)留的外部數(shù)據(jù)輸入/輸出接口，也贏得了專業(yè)用戶的青睞，成為眾多國外大學(xué)的飛行仿真可視化引擎[6]。Illinois大學(xué)將其用于飛行結(jié)冰過程的仿真可視化平臺開發(fā)[7]；Wales大學(xué)則在飛控系統(tǒng)仿真中，利用FlightGear引擎實現(xiàn)了可視化仿真環(huán)境[8]。

目前，我校學(xué)生在大學(xué)生創(chuàng)新實驗平臺設(shè)計中，也已開始使用FlightGear軟件，但由于沒有進行過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使用便利程度和深度均存在很大的不足，因此需要實驗室教師結(jié)合經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論[9-10]，理論結(jié)合實際，將飛行控制系統(tǒng)設(shè)計和FlightGear軟件相結(jié)合，搭建飛行控制實驗教學(xué)平臺。

針對此問題，本文擬基于典型的固定翼飛機模型，建立一個三維可視化飛行控制仿真與設(shè)計實驗教學(xué)平臺。通過該教學(xué)平臺進行飛行器控制器設(shè)計實驗及其三維可視化顯示，使學(xué)生能更直觀、更形象地理解在飛行控制系統(tǒng)課程中學(xué)習(xí)到的理論和方法，并通過開放實驗系統(tǒng)自行進行控制器設(shè)計，真正做到理論與實際相結(jié)合，學(xué)會應(yīng)用理論來進行實際飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計。該實驗教學(xué)平臺可為自動控制、探測與制導(dǎo)及機械自動化等專業(yè)的本科生培養(yǎng)提供實驗條件。

1 實驗平臺的總體架構(gòu)

本仿真實驗平臺選取一款典型固定翼飛機為控制對象，使用Matlab/Simulink工具編寫飛行器仿真模型并設(shè)計飛行控制器和實驗界面，利用Simulink 軟件提供的FlightGear 飛行模擬器外部數(shù)據(jù)輸入/輸出API 接口，即UDP＿FlightGear 模塊，將飛行姿態(tài)仿真數(shù)據(jù)通過UDP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議予以實時傳輸；最終，驅(qū)動FlightGear 可視化引擎，實現(xiàn)固定翼飛行仿真姿態(tài)數(shù)據(jù)的三維實時可視化仿真實驗。基于上述思想構(gòu)建的仿真平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

2 實驗平臺的建立

2.1飛機模型的建立

飛機模型為一個典型的六自由度固定翼飛機模型，其模型基于12階運動方程建立[11-12]，其氣動參數(shù)如表1所示。

圖1 基于FlightGear三維可視化飛行控制實驗教學(xué)平臺結(jié)構(gòu)圖

表1 飛機模型的氣動參數(shù)

仿真模型基于Simulink中S-function技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)，方便使用m語言描述飛機的氣動特性和運動變化，易于實現(xiàn)復(fù)雜非線性的多輸入多輸出系統(tǒng)模型，便于集成封裝和模塊化。

輸入分別為升降舵、副翼、方向舵和發(fā)動機油門，其特性如表2所示。

表2 飛機模型的輸入

其輸出值和范圍如表3所示。

表3 飛機模型的輸出

2.2實驗界面二級標(biāo)題

實驗界面基于Matlab編寫，如圖2所示，分為兩部分，左邊是飛控設(shè)計的實驗操作流程，右邊是飛控設(shè)計步驟中的參數(shù)和曲線顯示窗口。該實驗平臺既可以開展難度低的演示和驗證實驗，也可以開展難度高的自主控制設(shè)計實驗，以針對不同學(xué)習(xí)程度的學(xué)生。

圖2 飛行控制實驗界面

飛控設(shè)計步驟中目前開放了配平和控制器參數(shù)設(shè)計兩步，其余部分也會根據(jù)使用情況逐步開放。為了直觀顯示設(shè)計的效果，在界面中將設(shè)計和結(jié)果(輸出參數(shù)的曲線)放在了同一個界面中。而仿真控制又分為了實時和非實時仿真，非實時仿真是用于快速驗證參數(shù)的正確性，實時仿真則是和FlightGear連接起來驗證參數(shù)的正確性和三維立體觀察飛機的控制過程。

2.3飛機控制器設(shè)計的實驗步驟

在本實驗平臺的界面中，學(xué)生通過一步一步的進行實驗設(shè)計，可以直觀完整地感受到飛行控制設(shè)計的過程，從而幫助學(xué)生將書本中的理論聯(lián)系到工程實際。

(1) 配平。飛機配平是飛行控制器設(shè)計中的第一步驟，在本實驗平臺中開放給學(xué)生自主設(shè)計。圖2實驗界面中給出了一個設(shè)計示例，可用于演示實驗。

示例中選擇的狀態(tài)點為高度2 km，速度200 m/s，在該狀態(tài)下進行配平。其姿態(tài)為俯仰角1.5°，其他姿態(tài)角都為0°。俯仰角為1.5°，側(cè)滑角為0°。軌跡角為0°，飛行器處于定直平飛狀態(tài)。

配平工作可以使用Matlab提供的trim函數(shù)完成，也可以由學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識自己編寫配平程序代碼完成，從而適用于不同水平、不同需求的學(xué)生。類似地，在配平基礎(chǔ)上進行小擾動線化，可以使用Matlab提供的linmode函數(shù)完成，也可以由學(xué)生自己手動完成，從而獲得被控對象的狀態(tài)空間模型矩陣。可見，配平設(shè)計直接影響到模型的線性化和后期控制律的設(shè)計，這是非常重要的一個步驟，應(yīng)該讓學(xué)生自主設(shè)計以真實感受重要性。

(2) 控制器參數(shù)設(shè)計。 在設(shè)計飛行控制律時，學(xué)生們可以應(yīng)用所學(xué)的經(jīng)典控制理論，也可以應(yīng)用現(xiàn)代控制理論完成。同時，本平臺中已經(jīng)基于之前配平步驟中的配平參數(shù)和經(jīng)典飛行控制設(shè)計理論資料[11-12]計出了一個控制器示例用于演示，便于初學(xué)者參考，并且該控制器中的參數(shù)已經(jīng)開放出來，供學(xué)生自行整定、鍛煉，如圖2右下角所示。

2.4FlightGear視景軟件的連接

本平臺中采用了開源軟件FlightGear來實現(xiàn)虛擬場景的三維顯示，該軟件具備代碼開放和場景逼真的優(yōu)點，并且接口簡單，僅通過UDP協(xié)議就可以實現(xiàn)交互[13-14]。

(1) FlightGear數(shù)據(jù)發(fā)送模塊建立。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊基于Matlab/Simulink建立，該模塊主要由數(shù)據(jù)處理、FlightGear組幀和UDP數(shù)據(jù)發(fā)送3個部分組成。數(shù)據(jù)處理部分負責(zé)將輸入的飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)和執(zhí)行機構(gòu)輸入數(shù)據(jù)進行整理，然后連接到FlightGear組幀的模塊上，由UDP數(shù)據(jù)發(fā)送部分將完成組幀的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)模塊如圖3所示。

本平臺中使用Native-fdm數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。Native-fdm協(xié)議是FlightGear中定義的一個二進制數(shù)據(jù)協(xié)議，協(xié)議的格式封裝在”Pack net_fdm Packet for FlightGear”模塊中，該協(xié)議中包含了視景中所需的所有數(shù)據(jù)。然后即可通過UDP將數(shù)據(jù)發(fā)送給FlightGear，發(fā)送通過Matlab提供的” Send net_fdm Packet to FlightGear”模塊實現(xiàn)。該模塊能夠?qū)凑課et_fdm數(shù)據(jù)協(xié)議組好幀的數(shù)據(jù)通過UDP發(fā)送給FlightGear。

(2) FlightGear接口設(shè)置。FlightGear 作為一款優(yōu)秀的開源飛行模擬器，為用戶預(yù)留了多種輸入輸出接口，方便用戶對其功能進行擴展[15]。FlightGear 的輸入信息為六自由度固定翼飛行器的信息，根據(jù)設(shè)計方案，使用FlightGear飛行模擬器接收外部數(shù)據(jù)驅(qū)動視景模塊，顯示飛行姿態(tài)。作為UDP 網(wǎng)絡(luò)通信的一端，需要對FlightGear的I/O接口進行設(shè)置。 FlightGear軟件I/O接口設(shè)置如圖4，其中Protocol設(shè)置為Native-fdm； Medium設(shè)置為socket； Hz設(shè)置為100；Direction設(shè)置為in；端口選擇5502；選擇UDP模式。

圖3 FlightGear數(shù)據(jù)發(fā)送模塊框圖

圖4 FlightGear軟件接口設(shè)置

3 三維實時仿真實驗演示

本文以控制飛機高度為例展示平臺的易用性。飛機初始設(shè)定的高度為2 km，仿真時間100 s，設(shè)定期望改變飛機的高度到1.5 km，然后開始實時仿真。FlightGear中的運行場景如圖5所示，圖中可見飛機升降舵上偏，給飛機一個向下的力矩，飛機向下轉(zhuǎn)動，非常直觀生動。同時，飛機高度的響應(yīng)曲線如圖6所示，飛機俯仰角的響應(yīng)曲線如圖7所示，圖中曲線在數(shù)值上分別給出高度下降和飛機低頭的過程，從而使學(xué)生能夠把控制量到物理量的轉(zhuǎn)換、控制量到物理現(xiàn)象聯(lián)系起來，理解更深刻。

圖5 FlightGear運行場景

圖6 高度響應(yīng)曲線

圖7 俯仰角響應(yīng)曲線

值得注意的是，上述實驗過程，既可以由教師在課堂上演示，也可以由學(xué)生自己整定參數(shù)，甚至是設(shè)計控制律，以便有更深切的體會。

4 開設(shè)的實驗項目

本飛行控制實驗平臺是一個開放式實驗平臺，既可以完成驗證和演示飛行控制原理的實驗教學(xué)，也可以在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同學(xué)習(xí)程度的學(xué)生開展不同難度的自主設(shè)計的課程設(shè)計，并且設(shè)計結(jié)果可以在FlightGear軟件里實時三維直觀顯示。

可以開設(shè)的實驗項目有：①飛機配平和單通道姿態(tài)(滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航)控制系統(tǒng)仿真實驗(驗證和設(shè)計)；②飛機縱向姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真實驗(驗證和設(shè)計)；③飛機橫側(cè)向姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真實驗(驗證和設(shè)計)；④飛機高度控制系統(tǒng)仿真實驗(驗證和設(shè)計)；⑤飛機速度控制系統(tǒng)仿真實驗(驗證和設(shè)計)。

5 結(jié) 語

為了提高學(xué)生對飛行控制原理的三維立體直觀的認識，加強飛行控制設(shè)計理論的理解，鍛煉自主設(shè)計飛行控制器的能力，開發(fā)了一套基于FlightGear的三維可視化飛行控制實驗平臺。在該平臺上，通過三維立體實時顯示、控制器設(shè)計，讓學(xué)生對飛行控制理論有一個全面的系統(tǒng)的認識和把握，完成一個分析、設(shè)計、驗證的全過程，理論結(jié)合實際，為以后開展復(fù)雜的飛行控制研究打下堅實的基礎(chǔ)。

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Flight Control Experimental Platform Based on FlightGear Simulator

YANGShanshan,WANGBiao

(College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Based on a classic six-degree fixed wing aircraft,a flight control experimental platform based on FlightGear simulator is presented in this paper.Aircraft model and flight control GUI are written based on Matlab/Simulink,and flight simulation data are fed to the FlightGear simulator through its I/O port,then the real-time 3D visual flight simulation is implemented.At the meantime,the curves of the flight parameters are obtained in the flight GUI,the relevance between mathematical variables and their physical meanings can be enhanced and the understanding of the linking theory with practical can be improved.The simulator presented in this paper has high openness,and can be not only operated by teachers for demonstration but also can be used by students for designing flight systems with different difficulty rating.Therefore,the ability of the application of the aircraft control theory can be advanced.

flight control system; three-dimensional visualization; open type experimental platform

2016-11-15

南京航空航天大學(xué)“實驗技術(shù)研究與開發(fā)”項目(2015050300015842)

楊姍姍(1983-)，女，江蘇鹽城人，碩士，實驗師，主要從事飛行控制、自動控制原理相關(guān)的實驗。

Tel.：025-84892035×812；E-mail：shanshankitty@nuaa.edu.cn

TP 273;V 249.1

：A

：1006-7167(2017)07-0113-05