民用飞机模拟飞行软件研究

摘要：在经典飞行仿真技术研究的基础上，利用虚拟现实技术的相关理论，结合民用飞机模拟飞行的特点，建立精确的飞行仿真系统，为飞机设计的动态验证提供重要的技术支持。首先对飞行仿真系统功能进行了分析说明，然后从飞机非线性模型设计、流程设计和软件管理三方面重点剖析了飞行仿真系统的软件设计，最后研究了飞行仿真系统的软件接口设计。

关键词关键词：民用飞机；飞行仿真；仿真软件设计

DOIDOI：10.11907/rjdk.161727

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）007011503

0引言

飞行仿真是把飞机假设为刚体的运动情况作为研究对象、面向复杂系统的仿真。以飞机的飞行力学和飞行控制理论为依据，通过Matlab/Simulink建立数学模型，并以此模型为基础进行模拟飞行试验与验证分析研究。飞行仿真系统是一个软件仿真系统，数学仿真模型覆盖所模拟对象的工作过程，包括从发动机启动之前直到发动机停车之后的所有飞机特性，以及因环境条件变化所引起的正常延迟效应，同时也对系统故障进行仿真[13]。

本文对民用飞机飞行仿真软件系统进行了研究，基于飞行仿真系统功能，对飞行仿真软件设计、流程和管理进行了分析，并对飞行仿真软件接口设计进行了剖析。飞行仿真系统通过飞机的相关数据建立动力和运动学模型，并利用验证数据完成整个系统逼真度验证。

本文基于Cult3D三维建模仿真技术，采用AngularJS框架，对面向B/S架构的车辆维修教学仿真系统设计与实现方法进行了探究。与传统车辆教学仿真软件相比，本系统基于B/S结构，有效解决了传统教学仿真软件维护升级困难的问题。通过采用AngularJS框架对前端代码进行组织与开发，提高了前端代码的可复用性与可维护性，极大减轻了服务器端的压力。本文探讨的系统目前已投入市场使用，运行效果良好。系统实现效果如图 4所示。

鉴于Cult3D技术目前已经不再提供技术支持，且与Google Chrome等现代浏览器兼容性不好等问题，如何选择新的Web3D技术，实现适应现代浏览器技术发展的三维车辆维修教学仿真软件是后续研究的重点。

飞行仿真系统主要功能是：通过把飞机作为物理实体进行数学描述，模拟飞机的本体特性，实时计算飞机的运动参数，基本功能包括以下几个方面：① 对飞行任务剖面的飞行状态进行模拟；②模拟飞机在全包线、包线边界附近的飞行状态；③对飞机发生故障后的降级状态进行模拟；④对飞机在受外界扰动下的飞行状态进行模拟；⑤模拟典型的故障功能。

飞行动力学仿真模块是飞行仿真系统的核心，该模块基于刚体运动方程和绕质点转动方程，用于模拟飞机在空中和地面上的全部运动特性。模拟飞行系统中其它仿真系统如飞行控制、液压、动力、航电等仿真模块的输出结果，都会输入给飞行仿真系统进行综合计算，以实现对飞机运动的控制。具体功能需求如下：

（1）通过计算驾驶员操纵飞机后，飞行控制、动力和液压等系统对飞机气动模块的影响，实时解算出飞机飞行状态（飞行速度、飞行高度、飞行姿态、飞机构型等）和飞行位置（机场的坐标、经纬度），并通过驾驶舱仪表、视景系统实时反馈给驾驶员操纵和视觉感受，以便驾驶员在环评估。

（2）输出姿态角（俯仰、滚转和偏航）、气流角（迎角、侧滑角）、高度、速度等关键飞行参数给飞行控制系统，用于飞控计算机对飞机操纵面、油门指令的实时解算。

（3）系统初始化：用于对飞行状态、飞行条件和故障注入的设置和初始化，包括：飞行状态、飞行终止、飞行构型（襟缝翼位置、重量重心等）、大气环境、机场环境和大气扰动（紊流、阵风和风切变）。

2飞行仿真软件系统设计

2.1非线性飞机模型设计

飞机非线性模型是以飞行动力学仿真模块进行动力学计算，并把反映当时飞机位置和飞行状态的各种参数提供给其它相关的仿真系统。飞机全量运动方程组为六自由度非线性动力学模型的通用表达式，可用来计算最一般的情形（包括非对称、有风/无风、大扰动等情形）。

为便于描述，在满足工程应用需求的前提下，进行了如下假设：①平面大地（忽略地球的曲率和自转）；②刚体飞机（不考虑旋转部件的影响，不考虑动气弹效应，仅在气动力模型中作静气弹修正）。

此外，是否考虑飞机质量、重心等随时间的变化，可按照具体仿真计算情形确定。

2.1.1动力学模型设计

基于地面惯性参考系，根据牛顿第二定律，对飞机在合外力F和合外力矩M作用下分别建立线运动和角运动方程。

在合外力作用下，飞机的线性运动方程为ΣF=ddt（mv）（1）在合外力矩作用下，飞机的角运动方程为ΣM=ddt（L）（2）在机体坐标轴系中确定刚体飞机在所受外力和力矩下的平动和转动规律，详见公式（3）和（4）。m（k+qwk-rvk）=TcosφT-Dcosαcosβ-Ycosαsinβ

1.2运动学模型设计

在地面坐标轴系中确定飞机在空间的运动轨迹和姿态变化规律，详见公式（5）和（6）。g=ukcosθcosψ+vk（sinφsinθcosψ-cosφsinψ）

（6）飞行仿真系统的软件设计基于假设的刚体运动学方程和绕质心转动方程，实现对真实飞机在空中和地面飞行运动特性的全面模拟。

2.2飞行仿真软件流程设计

飞行仿真系统的软件设计主程序按照逻辑控制关系，以一定的顺序调度飞行仿真系统内部各功能模块，实现飞行仿真系统内部各功能和真实飞机性能的模拟。飞行仿真系统的软件主程序运行流程见图1。

2.3飞行仿真软件管理

飞行仿真软件管理用于规范仿真模型标准、版本变更和升级流程，管理仿真模型功能及接口，以确保飞行仿真系统的正常运行，主要包括：①建立建模规范，实现模型和数据的标准化；②建立全功能、全包线、多形式、多用途的模型库，如图2、图3和图4所示；③仿真参数设置：包括仿真步长、解算方法、仿真时间、时间因子、仿真数据在线监控步长、仿真科目、仿真模型初值、飞行场景等设置；④仿真流程控制：包括仿真的启动、暂停、停止、单步运行、编译、仿真代码分配、仿真代码下载等功能；⑤仿真数据记录、处理与分析；⑥自动批量仿真：包括蒙特卡罗仿真、自动批量脚本仿真等；⑦仿真数据在线监控：包括实时仿真数据在线监控、实时计算机CPU、内存的状态监控等；⑧建立模型库管理体制，包括版本管理、模型关系管理、模型测试管理、模型文档管理等。

3软件接口设计

民用飞机的模拟飞行系统利用逼真的飞行环境，通过驾驶员的操纵指令，观察驾驶舱里的显控设备和仪表，感受真实视景和音响模拟来评价飞行性能和操纵品质。

模拟飞行系统功能复杂，除了核心的飞行仿真系统，还有飞行控制仿真系统、航空电子仿真系统、驾驶舱操纵设备仿真系统、视景仿真系统、音响仿真系统、运动系统和工程师平台等。飞行仿真系统与其它系统均存在交联关系，需要对软件接口进行设计，接口原理见图5。

接口类型主要包括AD、USB、开关量等，用于与其它仿真模型或硬件的接口驱动与数据交换。网络类型主要包括以太网或反射内存网等，用于计算机之间的网络连接与数据交换。

4结语

本文研究了民用飞机模拟飞行仿真系统，重点对飞机级的主飞行仿真系统功能进行了详细说明；对飞行仿真软件系统组成进行了剖析，详细研究了软件系统模块和功能，研究了飞行仿真系统的软件接口。基于此功能软件系统所设计的民用飞机飞行模拟仿真系统，能够为驾驶员提供逼真的飞机六自由度运动学和动力学模拟，实时在高保真飞行状态和飞行环境下操纵飞机，可为驾驶员模拟飞机的真实飞行提供技术保证。

参考文献：

[1]王行仁.飞行实时仿真系统及其技术[M].北京：科学出版社，1985.

[2]曲小宇.模拟器飞行仿真系统研究[J].软件导刊，2014，13（9）：9596.

[3]童中翔，王晓东.飞行仿真技术的发展与展望[J].飞行力学，2002，20 （3）：58.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）

参考文献：

王钰.基于Cult3D的摩托车虚拟展示系统的设计与实现.北京：北京工业大学，2014.

冯桂珍，邢海军.基于Cult3D的虚拟土木工程实验平台的构建[J].实验技术与管理，2015（7）：109112.