基于Prepar3D的飞行器性能可视化仿真系统设计

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　　摘   要：搭建了满足飞行器实验开发的可视化仿真系统：通过Simulink建立非线性六自由度飞行动力学模型和飞行仿真模型;利用Prepar3D接收姿态、位置及轨迹变化等飞行数据并相应展示舱外景象，逼真展示飞行过程环境;通过数据可视化软件将飞行数据以二维或三维曲线进行呈现或对比，进一步提高飞行器性能数据分析的直观性。本系统可用于辅助飞行器飞行控制系统、起落架系统、近地告警系统等系统的设计研究及验证任务。
　　关键词：可视化  飞行仿真  视景仿真  飞行动力学
　　中图分类号：TP391.9                               文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）12（a）-0113-02
　　随着计算机技术的快速发展， 仿真可视化技术应运而生， 并成为航空航天领域重要的辅助工具。飞行器性能是飞行器研究和运用中非常重要的研究方向，可视化仿真是必不可少的一个环节， 通过可视化仿真可以对飞行器操纵性、稳定性和自动驾驶仪性能进行有效的验证， 也可以对操作手进行辅助训练， 降低飞行风险，甚至提高实战能力。
　　1  系统总体设计
　　本系统主要包括飞行仿真、视景仿真及数据可视化三个子系统。飞行仿真提供飞机动力学、运动学、外部环境、飞管系统、起落架等系统仿真逻辑;视景仿真系统模拟飞机座舱外的景象，是飞行员判断飞行品质十分重要的视觉信息;数据可视化系统将指定的飞行数据以二维或三维曲线的形式表示，便于用户分析数据;最终用户通过视景仿真及数据可视化呈现的信息，可进一步修改飞行仿真，达到提高飞行器性能的目的。系统结构框图如图1所示。
　　2  分系统设计
　　2.1 飞行仿真
　　飞行仿真软件采用Matlab Simulink实现。MathWorks的Matlab Simulink/Stateflow等工具使工程师可以在一个可视化的交互开发测试平台上进行基于模型的设计，用直观的模块图对系统模型和子系统设计进行可视化处理。
　　Simulink自带大量航空运动方程，大大减少航空仿真工程师工作量。典型的六自由度运动方程模块如图2所示。
　　以上模块实现了六自由度欧拉角公式转换。六自由度模块认为机体坐标系相对地面坐标系是旋转的。坐标系的原点为机体质心，机体认为是刚性的，这样假设后不考虑机体内力。式中部分计算公式为：
　　2.2 视景仿真
　　视景仿真采用Prepar3D（以下简称P3D）实现。P3D是由洛克希德·马丁基于微软模拟飞行FSX开发的一款针对教育、培训机构以及军方定制的模拟软件。
　　基于P3D的视景程序可扩展为沉浸式交互环境，可采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生沉浸于等同真实环境的感受和体验。新一代的P3D V3开放了基于Oculus虚拟眼镜的视景及座舱环境开发。
　　2.3 数据可视化
　　数据可视化软件可在飞行过程中记录并实时曲线显示飞行状态数据，飞行结束后，可依用户指定的频率，对指定的数据进行记录。数据记录成功后，可对数据进行正常或快速回放，将數据以二维或三维的形式进行显示。图4为飞机在爬升过程中，遭遇结冰后的飞行数据曲线。
　　3 结语
　　通过对飞机建立飞行动力学模型和飞行仿真模型，实现Simulink与P3D的联合仿真，同时通过数据可视化软件，对飞行过程关键数据进行监控，并提供了对飞行数据的保存、再现及分析功能，将飞行数据参二维曲线的形式进行描绘，实现了对飞机飞行性能的可视化仿真。
　　参考文献
　　[1] 郭卫刚，韩维，王秀霞.基于Matlab/Flightgear飞机飞行性能的可视化仿真系统[J].实验技术与管理，2010，27（10）：110-112.
　　[2] 王岳，陈忆杭，邓志武.基于FlightGear的飞行仿真教学实验设计[J].实验技术与管理，2016，33（10）：130-134.
　　[3] 张晓飞.面向运动模拟的飞行器动力学建模及仿真[D].北京交通大学，2014.
　　[4] 杨立忠，王学青，孙宝琛.一种飞行器虚拟航迹生成软件的设计与实验[J].航空兵器，2007（2）：37-43.
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