基于Prepar3D的飛行器性能可視化仿真系統設計

侯學智

摘? ?要：搭建了滿足飛行器實驗開發的可視化仿真系統：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、位置及軌跡變化等飛行數據并相應展示艙外景象，逼真展示飛行過程環境;通過數據可視化軟件將飛行數據以二維或三維曲線進行呈現或對比，進一步提高飛行器性能數據分析的直觀性。本系統可用于輔助飛行器飛行控制系統、起落架系統、近地告警系統等系統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

隨著計算機技術的快速發展， 仿真可視化技術應運而生， 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節， 通過可視化仿真可以對飛行器操縱性、穩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，甚至提高實戰能力。

1? 系統總體設計

本系統主要包括飛行仿真、視景仿真及數據可視化三個子系統。飛行仿真提供飛機動力學、運動學、外部環境、飛管系統、起落架等系統仿真邏輯;視景仿真系統模擬飛機座艙外的景象，是飛行員判斷飛行品質十分重要的視覺信息;數據可視化系統將指定的飛行數據以二維或三維曲線的形式表示，便于用戶分析數據;最終用戶通過視景仿真及數據可視化呈現的信息，可進一步修改飛行仿真，達到提高飛行器性能的目的。系統結構框圖如圖1所示。

2? 分系統設計

2.1 飛行仿真

飛行仿真軟件采用Matlab Simulink實現。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測試平臺上進行基于模型的設計，用直觀的模塊圖對系統模型和子系統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。

以上模塊實現了六自由度歐拉角公式轉換。六自由度模塊認為機體坐標系相對地面坐標系是旋轉的。坐標系的原點為機體質心，機體認為是剛性的，這樣假設后不考慮機體內力。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。P3D是由洛克希德·馬丁基于微軟模擬飛行FSX開發的一款針對教育、培訓機構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境，可采用以計算機技術為核心的現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境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生沉浸于等同真實環境的感受和體驗。新一代的P3D V3開放了基于Oculus虛擬眼鏡的視景及座艙環境開發。

2.3 數據可視化

數據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數據，飛行結束后，可依用戶指定的頻率，對指定的數據進行記錄。數據記錄成功后，可對數據進行正常或快速回放，將數據以二維或三維的形式進行顯示。圖4為飛機在爬升過程中，遭遇結冰后的飛行數據曲線。

3 結語

通過對飛機建立飛行動力學模型和飛行仿真模型，實現Simulink與P3D的聯合仿真，同時通過數據可視化軟件，對飛行過程關鍵數據進行監控，并提供了對飛行數據的保存、再現及分析功能，將飛行數據參二維曲線的形式進行描繪，實現了對飛機飛行性能的可視化仿真。

參考文獻

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