飛行模擬器飛行仿真系統(tǒng)建模與軟件實(shí)現(xiàn).pdf

1、飛行模擬器能夠在地面逼真的再現(xiàn)飛機(jī)的飛行特征，是航空業(yè)不可或缺的重要設(shè)備，而我國在飛行模擬器的開發(fā)和研制上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外發(fā)達(dá)國家。在當(dāng)前國家大力發(fā)展大飛機(jī)項(xiàng)目的背景下，針對飛行模擬器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究將更加緊要。模擬器是以仿真為主體的，飛行仿真系統(tǒng)作為模擬器的核心，直接決定著對飛機(jī)特性的仿真逼真度和飛行模擬器的鑒定等級。在模擬器中，飛行仿真系統(tǒng)根據(jù)教練員的設(shè)置和駕駛員的操縱實(shí)時(shí)解算出飛機(jī)飛行狀態(tài)并驅(qū)動虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。由于現(xiàn)代飛機(jī)一般具有復(fù)雜

2、的氣動布局和動力學(xué)特性，所以對其建模和仿真是非常具有挑戰(zhàn)性的。本文著眼于建立高逼真度的飛行動力學(xué)模型并開發(fā)一套結(jié)構(gòu)清晰、維護(hù)方便的飛行仿真軟件以實(shí)現(xiàn)飛行模擬器的飛行仿真功能。
　　為達(dá)到這個目的，首先推導(dǎo)了橢圓型地球模型下的飛行動力學(xué)方程以仿真飛行特性。目前商用飛行模擬器中飛行動力學(xué)方程建立在平面大地的假設(shè)之上，改用精確的地理模型進(jìn)行建?？梢栽黾语w行仿真的逼真度，便于與先進(jìn)的導(dǎo)航設(shè)備和全球地形數(shù)據(jù)庫相配合而使飛行仿真更加生動。針對

3、某種機(jī)型建立了其空氣動力學(xué)模型，在建模過程中分析比較了線性插值和三次樣條插值的精確度和運(yùn)算效率并在此基礎(chǔ)上確定了其開發(fā)方案。仿真結(jié)果和飛行實(shí)測數(shù)據(jù)的吻合說明了該方案的可行。
　　其次建立了飛機(jī)起落架與地面接觸動力學(xué)模型以仿真飛機(jī)地面操縱特性。針對目前商用飛行模擬器中起落架模型不能適用于非水平跑道、不能模擬跑道不平度激勵并且不能仿真剎車及轉(zhuǎn)彎情況下出現(xiàn)的機(jī)輪搖擺對動力學(xué)的影響的缺點(diǎn)，在起落架模型中改進(jìn)了碰撞檢測模塊和壓縮量計(jì)算方法；

4、使用功率譜密度函數(shù)生成虛擬路面產(chǎn)生對起落架輪胎的隨機(jī)激勵，并將此激勵附加于垂向壓縮量上以計(jì)算輪胎垂向力；使用輪胎對地速度計(jì)算輪胎受到的側(cè)向力和剎車力。從對起落架吸震特性、轉(zhuǎn)彎特性和剎車特性的仿真結(jié)果可以看出該模型可以勝任高逼真度的飛機(jī)地面操作性能模擬任務(wù)。
　　在建立仿真模型的基礎(chǔ)上，分析并設(shè)計(jì)了飛行仿真模型的配平算法。針對目前商用飛行模擬器采用模式搜索法進(jìn)行平衡點(diǎn)求取時(shí)可能陷入局部最優(yōu)點(diǎn)而導(dǎo)致配平失敗的弊端，提出了精英再優(yōu)化的混

5、合遺傳算法。該算法將模式搜索法與遺傳算法相結(jié)合，使用模式搜索對遺傳算法種群中的精英進(jìn)行再優(yōu)化，在不破壞個體多樣性的前提下提高了種群的適應(yīng)度。經(jīng)實(shí)際測試，該算法有利于避免陷入局部最優(yōu)點(diǎn)、減少了迭代次數(shù)并提高了最終結(jié)果的精度。
　　接著使用面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)方法在代碼上實(shí)現(xiàn)了飛行仿真模型和配平算法。針對目前商用飛行模擬器采用面向過程的軟件開發(fā)方式而造成的難以閱讀和難以維護(hù)的弊端，確定了以面向?qū)ο蟮乃枷雽︼w行仿真軟件進(jìn)行開發(fā)。所有的仿真

6、子模型均直接派生于一個相同的父類以具有統(tǒng)一的對外表現(xiàn)形式。子模型類之間相互聚合形成大的仿真子系統(tǒng)并在實(shí)例化后構(gòu)成一個可以被引用的鏈表。仿真模型類層級式的結(jié)構(gòu)降低了開發(fā)和維護(hù)難度而且使得軟件適合使用于不同的應(yīng)用環(huán)境。
　　最后，將飛行仿真軟件與基于PC的飛行模擬器結(jié)合，并在該模擬器上驗(yàn)證了飛行仿真模型建模的準(zhǔn)確性、配平算法的適應(yīng)性、面向?qū)ο筌浖_發(fā)方法的優(yōu)越性。由于采用了分布式的仿真體系結(jié)構(gòu)，主流PC構(gòu)架的計(jì)算機(jī)，成熟的商用軟件開發(fā)