基于Prepar3D的飛行器性能可視化仿真系統(tǒng)設計

侯學智

摘? ?要：搭建了滿足飛行器實驗開發(fā)的可視化仿真系統(tǒng)：通過Simulink建立非線性六自由度飛行動力學模型和飛行仿真模型;利用Prepar3D接收姿態(tài)、位置及軌跡變化等飛行數(shù)據(jù)并相應展示艙外景象，逼真展示飛行過程環(huán)境;通過數(shù)據(jù)可視化軟件將飛行數(shù)據(jù)以二維或三維曲線進行呈現(xiàn)或?qū)Ρ龋M一步提高飛行器性能數(shù)據(jù)分析的直觀性。本系統(tǒng)可用于輔助飛行器飛行控制系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、近地告警系統(tǒng)等系統(tǒng)的設計研究及驗證任務。

關鍵詞：可視化? 飛行仿真? 視景仿真? 飛行動力學

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）12（a）-0113-02

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展， 仿真可視化技術(shù)應運而生， 并成為航空航天領域重要的輔助工具。飛行器性能是飛行器研究和運用中非常重要的研究方向，可視化仿真是必不可少的一個環(huán)節(jié)， 通過可視化仿真可以對飛行器操縱性、穩(wěn)定性和自動駕駛儀性能進行有效的驗證， 也可以對操作手進行輔助訓練， 降低飛行風險，甚至提高實戰(zhàn)能力。

1? 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要包括飛行仿真、視景仿真及數(shù)據(jù)可視化三個子系統(tǒng)。飛行仿真提供飛機動力學、運動學、外部環(huán)境、飛管系統(tǒng)、起落架等系統(tǒng)仿真邏輯;視景仿真系統(tǒng)模擬飛機座艙外的景象，是飛行員判斷飛行品質(zhì)十分重要的視覺信息;數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)將指定的飛行數(shù)據(jù)以二維或三維曲線的形式表示，便于用戶分析數(shù)據(jù);最終用戶通過視景仿真及數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)的信息，可進一步修改飛行仿真，達到提高飛行器性能的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2? 分系統(tǒng)設計

2.1 飛行仿真

飛行仿真軟件采用Matlab Simulink實現(xiàn)。MathWorks的Matlab Simulink/Stateflow等工具使工程師可以在一個可視化的交互開發(fā)測試平臺上進行基于模型的設計，用直觀的模塊圖對系統(tǒng)模型和子系統(tǒng)設計進行可視化處理。

Simulink自帶大量航空運動方程，大大減少航空仿真工程師工作量。典型的六自由度運動方程模塊如圖2所示。

以上模塊實現(xiàn)了六自由度歐拉角公式轉(zhuǎn)換。六自由度模塊認為機體坐標系相對地面坐標系是旋轉(zhuǎn)的。坐標系的原點為機體質(zhì)心，機體認為是剛性的，這樣假設后不考慮機體內(nèi)力。式中部分計算公式為：

2.2 視景仿真

視景仿真采用Prepar3D（以下簡稱P3D）實現(xiàn)。P3D是由洛克希德·馬丁基于微軟模擬飛行FSX開發(fā)的一款針對教育、培訓機構(gòu)以及軍方定制的模擬軟件。

基于P3D的視景程序可擴展為沉浸式交互環(huán)境，可采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生沉浸于等同真實環(huán)境的感受和體驗。新一代的P3D V3開放了基于Oculus虛擬眼鏡的視景及座艙環(huán)境開發(fā)。

2.3 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化軟件可在飛行過程中記錄并實時曲線顯示飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，飛行結(jié)束后，可依用戶指定的頻率，對指定的數(shù)據(jù)進行記錄。數(shù)據(jù)記錄成功后，可對數(shù)據(jù)進行正常或快速回放，將數(shù)據(jù)以二維或三維的形式進行顯示。圖4為飛機在爬升過程中，遭遇結(jié)冰后的飛行數(shù)據(jù)曲線。

3 結(jié)語

通過對飛機建立飛行動力學模型和飛行仿真模型，實現(xiàn)Simulink與P3D的聯(lián)合仿真，同時通過數(shù)據(jù)可視化軟件，對飛行過程關鍵數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，并提供了對飛行數(shù)據(jù)的保存、再現(xiàn)及分析功能，將飛行數(shù)據(jù)參二維曲線的形式進行描繪，實現(xiàn)了對飛機飛行性能的可視化仿真。

參考文獻

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