飞行模拟器的应用价值论文（共7篇）
飞行模拟器的应用价值论文 篇1
装备系统, 其构成因素和影响因素的多寡、关系的繁简和规模的大小相差很大, 因而研究的方式也不同。对于结构简单、规模较小、构成因素较少、关系明确的系统, 往往可以不通过中间媒介, 而直接进行定性和定量的分析, 就能得出比较满意的结果。然而对于复杂的武器装备系统, 特别是飞行装备系统使用传统的物理试验或数学方法往往难以奏效, 而采用系统模型和模拟技术却能为之提供一种行之有效的途径。
1 应用背景
在飞行装备的研究和制造中, 技术越来越先进, 系统越来越复杂, 投资金额越来越大, 投资方和承制方所面临的风险也就越来越大。在这种情况下, 该类装备研制就需要通过模拟技术来指导实际研制过程从而降低和减小技术、费用以及进度等风险。模拟技术就是利用系统模型在模拟的环境和条件下, 通过模拟推演、实验和分析, 获得对被研究飞行装备系统的认识。模拟技术是一种间接的研究方法。
2 模拟技术在飞行装备实际研制生产中的应用
2.1 飞行装备的实际研制生产系统
飞行装备的研制生产主要包括3个阶段:方案与技术开发阶段、系统研制与演示验证和生产部署阶段。每个阶段又分为2个小段, 他们分别为:方案探索与飞行部件先期开发、系统集成与系统演示验证、初始小批量生产与大批量生产与部署。其中, 方案探索的主要任务是进行方案研究, 评估各方案的可行性;部件先期开发是开发分系统和部件, 并进行演示验证;系统集成是对演示验证的分系统和部件进行系统集成降低风险;系统演示验证是集成的系统和工程制造模型进行验证;初始小批量生产是进行生产准备, 并生产供初始试验用的飞行装备, 形成批生产能力;大批量生产与部署时进行批生产并装备部队。
2.2 模拟系统在实际系统中的应用
模拟技术并不是一成不变的技术, 而是一个不断吸收各种高新技术而不断丰富其内涵的动态技术系统。它提供产品在计算机上“制造”的能力, 通过计算机虚拟环境和模型来模拟生产各场景和预估飞行产品的功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题, 从而提高了研制人员的预测和决策水平。它为工程师们提供了从飞行产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境, 使得研制技术走出主要依赖于经验的狭小天地, 发展到全方位预报的新阶段。
同时, 研制人员了解用户需求时, 通过计算机所建立的虚拟环境, 对产品进行虚拟研制和生产, 最终得到了所需要的虚拟产品, 然后根据它再重新确认用户需求, 改进虚拟产品, 直到满意为止。这样, 研制人员就可以通过模拟系统的运行过程对实际系统进行指导和控制, 从而有效降低风险和减少浪费。同时, 实际制造的相关信息及时地反馈给模拟系统来完善模拟系统。
3 模拟技术的在飞行装备管理中的实现路径
模拟技术的运用程度和建立的环境逼真与实用程度取决于建立者的知识水平和系统分析能力, 以及掌握现实系统信息资料的多少和分析理解的深度与全面性。建立模拟环境需要有一个认识问题的辩证过程。模拟技术及其构建的环境是人对事物认识的表达形式和工具, 而不是研究问题的归宿。模拟技术所建立的环境是一种创造性的劳动, 它既有大量技术性内容, 又有通过塑造具体反映现实系统状态与过程, 反映研制人员思想的艺术性内容。模拟技术的应用应当从研究目的出发, 客观真实地反映所研究的现实系统的本质, 清楚明确地描述所研究系统的结构及其重要的内在联系, 正确反映系统的本质和运行规律, 适应系统所处的环境和内部条件, 同时, 还还充分考虑其经济性。在这里, 提供一些思考方法供参考。
3.1 直接分析
当被研究的现实系统比较简单, 问题比较明确, 关系比较清楚时, 可按照问题性质直接选择模拟应用技术, 建立模拟环境。
3.2 数据分析
当系统结构的性质、因素和关系尚不够清楚时, 通过分析系统已有数据或新试验数据, 可建立反映系统某些方面特性的模拟环境。特别是在飞行武器装备的生产过程中, 影响产品质量的因素很多, 其中有可控的, 有不可控的, 这些因素作用的大小和它们与质量指标的关系, 可能还不清楚。在这种情况下, 往往可以使用数据分析等工具来帮助建立模拟环境, 再进一步分析各因素的作用。
3.3 人工实现
当系统结构复杂, 性质不明确, 又没有足够的数据, 无法实现在现实系统上作试验, 或不允许作试验时, 可以利用人工现实系统逐步建立模拟环境。飞行装备作为复杂的现实系统, 可借用人工现实, 把实际情况作适当简化, 并将人工现实分解成一些初级子系统, 从局部的简单试验中了解情况, 然后从个别到一般, 从微观到宏观, 把多个初级子系统的情况进行综合分析, 返回到人工现实。
3.4 试验分析
对被研究现实系统的某些问题, 根据现有的数据资料分析尚不能确定某些变量对整个系统工作指标的影响, 又不可能作大量试验时, 可以在系统上作局部试验, 弄清楚哪些变量是关键的本质变量, 及其对系统指标的影响。
3.5 主观想象
当被研究系统结构性质不明确, 又无足够的数据, 系统上又无法做试验, 此时看来无法运用模拟技术建立环境。在这种情况下, 可以利用“主观想象”来人为地构造一个模拟环境。特别是在研究未来飞行装备的系统中, 因素极多, 又不肯定, 我们可通过模拟环境来预先主观地, 但是科学的来设想一些情况, 据此推断出一些结果, 供有关专家进行分析研究。
4 结语
本文对模拟技术的特点和优势进行研究的基础上, 针对飞行装备的实际研制生产, 分析了装备的实际研制系统与模拟研制生产系统之间的关系, 提出了实际研制系统对模拟系统的需求, 最后给出了模拟系统实现的技术及管理路径。讨论模拟的类型和实质在于其开发应用的思想。对于飞行装备这一类大型、复杂、试验成本昂贵, 试验中伴随很多不确定因素的项目, 模拟技术是可以作为一个“防护性试验”, 对所运行的系统探索出新的决策或决定准则。甚至, 在某些情况下, 模拟是获得相关解答的唯一有效的工具。
参考文献
[1]卢继平, 郑力, 等.虚拟制造技术[J].计算机辅助设计与制造, 1998, 5:61～62.
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[3]李自力.虚拟现实中基于图形与图象的混合建模技术[J].中国图象图形学报, 2001, 6 (1) :96～101.
[4]严隽琪, 等.虚拟制造系统体系结构及其关键技术[J], 中国机械[J], 1998, 9 (11) :60～64.
飞行模拟器的应用价值论文 篇2
1 飞行模拟训练相关概述
近年来,航空飞行安全问题引起了社会各界的高度重视,飞行事故的发生引发了人们对航空飞行的思考。以民航飞行事故为例,具有关调查资料显示70%以上为机组原因,如操作不当、驾驶员技术不高、缺乏决断意识等,因此,对飞行人员的模拟训练尤为重要。20世纪初,美国爱德华·林克设计出了初级模型训练器[2],经过不断与改进与技术创新,发展成为现在的六自由度全模拟机,其不仅能够为飞行员提供良好的训练平台,确保飞行安全,而且能够大大减低飞行成本。欧美国家对航空飞行安全一直给予了高度重视,不仅设立了独立的飞行培训中心,而且建立了完善的飞行模拟训练评价体系。我国的飞行模拟训练技术起步较晚,有关飞行模拟训练评价体系的建设还有待完善。以民航为例,据有关调查资料显示2015年的通用航空作业飞行时间为62.32万小时,与2014年相比增长了30.2%[3]。单训练飞行时间便达到了39.55万小时,与2014年相比增长了45.3%。这不仅能够反映出飞行训练在航空驾驶员培养中的作用,而且使我国的通用航空生产能够保持逐年增长的态势。针对飞行员普遍缺乏有效的飞行锻炼情况,必须加强对飞行员的模拟飞行训练,这不仅关系着飞行员驾驶水平的高低,而且影响着航空飞行的安全性。本次研究中,为了提升飞行员的驾驶技术以及面对突发状况的应急意识,采用飞行模拟训练评价体系,这对于军地飞行员的飞行训练考核有着较高的应用价值。
2 评价体系设计遵循原则
对飞行模拟训练评价必须具有一定的科学性与准确性,因此,必须注重评价指标的选择,所选指标不仅要能够满足模拟飞行训练的需求,而且要能够体现出航空飞行的特点,能够使航空飞行员真正得到相应的锻炼,确保飞行的安全性与稳定性。首先,评价指标要遵循真实性原则,在模拟飞行训练中,能够将飞行员的飞行效果得以有效的展现,并做出有效的评估;其次要有系统性,模拟飞行训练要真实地反映飞行员的飞行情况,记录飞行员的整个训练过程中,以便做出科学评估[4];另外,该系统对飞行训练效果的呈现要确保有效,使飞行员能够从中发现自己所存在的问题,进而实现良好的改进;除此之外,飞行模拟训练中的各项指标要能够满足实际应用,为飞行员提供一个真实的训练场景,提升飞行技术。
3 评价指标体系结构设计策略
飞行员飞行模拟训练评价指标体系主要是根据飞行员的训练流程与阶段来设定的,其要以提升飞行员的训练技能为目标,立足于飞行安全,并能够以模型飞行素养训练、技术标准训练以及理论素质训练进行综合考核,其具体指标分布见表1。
4 层次分析法在飞行模拟训练评价中的应用
20世纪70年代,美国运筹学家提出了层次分析法,其将定性与定量相结合,是一种多准则决策方式。在实际应用过程中,其严格按照评价指标体系结构,可分为目标层、准则层以及方案层三个级别。首先,要对各个层次模型元素进行相互对比,并由此构建出对比矩阵。若包括N个元素,可采用两两比较,对矩阵A=(Aij)n*n进行相互比较、判断,在矩阵A中,i与j表示因素对目标层的作用,在对比较矩阵Aij进行赋值时,可选用1~9的数值以及相应的倒数[5]。
Aij=1说明i与j这两个元素在比较矩阵中有着同等重要的地位
Aij=3说明在比较矩阵中i元素的作用要大于j元素
Aij=5说明在比较矩阵中i元素的作用要明显大于j元素
Aij=7说明在比较矩阵中i元素的作用要强烈大于j元素
Aij-=9说明在比较矩阵中i元素的作用要极端大于j元素
若判断呈现出相反性的特点,那么:
Aij=1/3说明在比较矩阵中与j元素相比i元素的作用稍不重要
Aij=1/5说明在比较矩阵中与j元素相比i元素的作用显著不重要
Aij=1/7说明在比较矩阵中与j元素相比i元素的作用强烈不重要
Aij=1/9说明在比较矩阵中与j元素相比i元素的作用极端不重要
除此之外,若Aij={2,4,6,8,1/2,1/4,1/6,1/8},那么可以表明其重要程度在Aij={1,3,5,7,9,1/3,1/5,1/7,1/9}之间。
针对以上对目标层建立的相关判断,可将矩阵做出列表,具体见表2:
通过对矩阵AA最大值的计算分析,可得出λmax=3.242,对矩阵偏离一致性标准检验则采用CI指标,其计算公式为,通过计算可得知CI值为0.018,当CI为零时,说明两者实现了完全一致,是一种比较理想的状态。而指标RI则表示随机一致性,其与矩阵阶数有着一定的相关性。本次研究对矩阵随机参数进行搜集,其具体参数如表3所示。根据上述计算,可得知矩阵阶数值为n=3,由此可确定其一致性指标CR的相关数值,根据公式,可计算出矩阵一致性值为0.035(CR<0.1),说明本次研究中的矩阵具有一定的一致性,处于可接受范围内。
5 层次分析法的应用实例
通常,飞行员在进行模拟飞行训练后,需对其飞行情况进行有效考核,这一方面能够检验飞行学员的学习成果,另一方面也能够为实际飞行打下坚实的基础,确保飞行安全[6]。为了研究层次分析法在飞行模拟训练评价体系中的应用效果,随机选取六名飞行学员,由专家对其进行打分,理论期望分值均设为100分,采用矩阵b1~b9对考核情况进行表示,其具体分值如下:
通过对6名学员的分值评估,对其进行灰色关联度计算,并将关联系数设为0.5,可得出相应的矩阵,此矩阵能够为学员理论值与实际值的差异性分析提供一个可靠的参考依据,本次研究中所计算得出的最大极差为0.14,并计算出该学员的有效安全飞行分值为89分,据此可以得出本次飞行为低风险的飞行,且该飞行学员能够顺利完成本次飞行训练。
6 结束语
飞行模拟训练关系着我国军地航空飞行的安全性,因此,对飞行员进行模拟训练评估显得尤为重要。本次研究中采用层次分析法对模拟飞行训练进行评价体系构建,具有较高的可接受性,该体系不仅能够对飞行学员的训练标准进行评估,而且能够反映出学员应对突发状况的能力与灵活性,值得参考借鉴。
摘要：随着我国社会主义现代化建设的不断发展,科技水平得到了前所未有的提升。近年来,飞行模拟训练以其可控性、无破坏性以及经济可靠等优点,在军地飞行员训练中得到了广泛的应用,传统的模拟训练评价主要依赖教员的现场观测、评估,具有一定的主观性,且工作量大,因此,对飞行模拟训练评价体系的设计显得尤为重要。该文将着重对层次分析法在飞行模拟训练评价体系设计中的应用进行深入分析,为飞行训练评价提供一个参考与借鉴。
关键词：层次分析法,飞行模拟训练,评价体系,设计
参考文献
[1]谷宗辉,闫肃.基于层次分析法的飞行模拟训练评价体系设计[J].中国民航飞行学院学报,2015,26(1):56-59.
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[5]付炜.飞行模拟机TCAS系统仿真软件设计与实现[D].北京:中国科学院大学(工程管理与信息技术学院),2015:213-214.
飞行模拟器的应用价值论文 篇3
航空仪表是人与飞机的交互界面,为飞行员提供飞机的高度、空速、升降速度、航向、姿态以及发动机的工作状态等信息。在实际飞行中,特别是在复杂气象条件下飞行时,航空仪表的地位尤为重要。同时“仪表飞行”也是飞行训练的一个重要课目。因此,在飞行模拟器的设计过程中,仪表仿真系统的设计是影响飞行模拟器性能指标的关键因素之一。
对于飞机实装仪表,既有机械式和电气式,又有模拟电路电子式,具有制作精密、原理及结构复杂、控制信号多样化、成本高等特点,很难直接应用到飞行模拟器。另一方面,随着计算机软硬件技术的飞速发展,虚拟现实技术得到了越来越广泛的应用[1]。虚拟仪表又称图形仪表,它是用计算机模拟生成各种仪表表面,动态模拟实装仪表的指示情况,具有可移植性高,开发、维护费用低,技术开发周期短等特点。
在某型飞机飞行模拟器的研制过程中,根据任务要求,在对座舱结构、仪表布局特点和需求进行分析的基础上,结合现代仿真技术以及研制经费等综合因素的考虑,采用图形仪表技术实现部分航空仪表的仿真。在此给出了一种在Windows平台上采用Visual C++开发基于OpenGL的图形仪表的方法。
2 OpenGL
OpenGL是一个工业标准的三维计算机图形软件接口,是美国高级图形和高性能计算机系统公司(SGL)开发的三维图形库。它实际上是与图形硬件完全无关的程序设计API,独立于操作系统,有着强大的图形功能和良好的跨平台移植能力,具有可靠性高、可扩展性强、伸缩性好、灵活性强、易用等特点。OpenGL实现二维和三维的高级图形技术,在性能上表现得异常优越,它包括建模、变换、颜色模式设置、光照与材质设置、双缓存动画以及更先进的能力,如纹理映射、物体运动模糊等。OpenGL的这些能力为实现逼真的三维渲染效果,建立交互的三维景观等提供了优秀的软件工具。
3 图形仪表设计方案
在此所讨论的图形仪表系统包括图形仪表计算机、显示驱动卡、图形仪表显示器和模拟仪表板。图形仪表的显示信息来自飞行模拟器的主控计算机,因此系统需要在不同计算机之间进行参数传输,网络通信是必不可少的条件。本系统采用的是客户/服务器结构的应用程序,这种结构非常适用于分布式处理的计算机网络环境。由于系统是面向PC机平台的应用,因此采用基于TCP/IP协议的Winsock接口实现网络间的数据传输。图形仪表计算机完成对图形仪表的驱动和数据通信,主要包括网络数据接收、数据处理和仪表驱动等功能模块。为增加图形仪表的逼真效果,设计了模拟仪表板,系统结构框图如图1所示。
3.1 软件开发
图形仪表软件的开发平台由Windows 2000/NT、Microsoft Visual C++6.0和OpenGL组成。软件开发流程图如图2所示。网络通信程序的建立可参阅文献[2],在此仅讨论基于OpenGL的图形仪表实现方法。
3.1.1 OpenGL初始化设置
像素格式与渲染描述表是建立OpenGL程序的基础,Windows一般的应用程序是使用所谓的设备描述表(Device Context)进行图形的绘制输出,但OpenGL并不使用标准的设备描述表,它使用渲染描述表(Rendering Context)完成图形图像的映射,描述表的映射核心是像素格式的设置[3]。
OpenGL初始化设置主要完成以下工作:
(1)ChoosePixelFormat():选择像素格式;
(2)SetPixelFormat():设置像素格式;
(3)wglCreateContext():创建环境设备;
(4)wglMakeCurrent():设置环境设备;
(5)glMatrixMode():设置矩阵模式;
(6)glFrustum():设置视场空间范围;
(7)glViewport():设置视场显示范围。
3.1.2 纹理贴图的载入与管理
所讨论的图形仪表采用纹理贴图的方式进行绘制。纹理贴图技术也叫纹理映射技术,它是计算机图形学中广泛应用的一项重要技术。传统的几何造型只能表示景物的形状,无法描述景物表面的微观细节,而利用纹理图像来描述景物表面各点处的反射属性,可以达到模拟景物表面丰富的纹理细节的目的,提高计算机生成图形的真实性,另一方面,采用纹理映射的方法可以大大地简化建模的过程。
由于所需要的纹理贴图的数量比较多,为了节省系统开销,实现纹理对象之间的快速切换,利用纹理列表实现对纹理对象的载入和维护,如图2所示。对纹理对象的载入与管理主要用到以下几个函数:
(1)glGenTextures():创建纹理对象索引;
(2)glBindTexture():绑定/选择纹理对象;
(3)gluBuild2DMipmaps():载入纹理贴图;
3.1.3 图形仪表的绘制
图形仪表的绘制实质上就是利用OpenGL的纹理映射技术在VC++6.0下实现图像的动态显示。以升降速度表为例,介绍图形仪表的绘制方法。
首先准备两张图片,如图3和图4所示。图3为升降速度表的表盘掩码图,透明部分为白色RGB(0xff,0xff,0xff),非透明部分为黑色RGB(0x00,0x00,0x00);图4为升降速度表的表盘图,透明部分为黑色RGB(0x00,0x00,0x00)。将图3与背景图进行“与”运算(GL_AND),图4与背景图进行“或”运算(GL_OR),即可完成升降速度表表盘的显示。显示效果如图5所示。
指针的显示方法与表盘的显示方法相同,其旋转运动可通过调用glRotated()函数来实现,旋转角度值由主控计算机发出。升降速度表的显示效果图如图6所示。
图形仪表软件的仪表显示模块共包括以下8个函数,用来完成各块航空仪表的显示。
(1)my_draw_biao_kong():显示空速表;
(2)my_draw_biao_dp():显示地平仪;
(3)my_draw_biao_chui():显示升降速度表;
(4)my_draw_biao_wl():显示无线电罗盘;
(5)my_draw_biao_gao():显示高度表;
(6)my_draw_biao_zw():显示转弯侧滑仪;
(7)my_draw_biao_wy():显示发动机三用表;
(8)my_draw_biao_tlc():显示陀螺磁罗盘。
以上8个函数的入口参数由坐标位置、缩放系数和指针旋转角度等构成。坐标位置和缩放系数均来源于磁盘文件,其数据由专门的维护软件根据各块仪表在模拟仪表板上的位置和大小测试得出,并以文件的形式存于磁盘,指针的旋转角度信号则通过网络由主控计算机给出,图形仪表软件的运行界面如图7所示。
3.2 模拟仪表板的设计
为了增加图形仪表的逼真效果,为图形仪表设计了模拟仪表板。模拟仪表板的设计必须同时兼顾显示器可用区域尺寸、仪表位置、仪表板上安装的调节旋钮和按钮空间尺寸等因素。根据这些尺寸和影响关系设计模拟仪表板。
4 结语
利用OpenGL强大的图形功能,可以轻松地实现逼真的贴图模型,运用VC++可对OpenGL产生的模型进行更进一步的控制和变化。实践证明,基于OpenGL的图形仪表建模形象逼真、速度快、效率高,完全适合飞行训练的需要,达到了该型飞机飞行模拟器的任务要求,大大简化了飞行模拟器的设备组成,降低了整体研制费用,提高了模拟器的设计更改效率,缩短了航空仪表的研发周期。
摘要：针对某型飞机飞行模拟器仪表仿真的特点,提出了一种在Windows平台上采用Visual C++6.0开发基于OpenGL的图形仪表的方法,运用OpenGL纹理贴图技术实现了图形仪表的绘制。实际应用证明,该方法圆满完成了航空仪表的仿真,降低了飞行模拟器的整体研制费用,取得了良好的飞行训练效果。
关键词：OpenGL,纹理贴图,仪表仿真,图形仪表,飞行模拟器
参考文献
[1]谢晓方,欧阳中辉.虚拟现实技术及应用[M].北京:海潮出版社,2002:35-45.
[2]陈坚,陈伟.Visual C++网络高级编程[M].北京:人民邮电出版社,2001:69-78.
FlightGear飞行模拟器 篇4
Flight Gear在飞行环境中仅会建立唯一的空气动力模型, 如果飞行动态模块 (FDM) 拟真程度不高, 用户的飞行感受将大打折扣。比如自动驾驶或者动态反馈, 即使单独运行时的效果得再逼真, 也可能会由于FDM的问题, 而带给飞行员完全错误的飞行感受。
因此, Flight Gear为所有的代码后面预留了一个面向对象的FDM接口, 一旦发现当前的FDM无法满足用户的需求, 额外的FDM将可以直接以代码的形式添加到对象中, 而不影响现有应用程序的性能。
最早的FDM名为La RCsim, 它以Cessna172初教机为原型, 使用带有强制系数的硬编码的专用C源码编写, 这一飞行模型能适用于绝大多数的飞机情况。包括专门为飞行培训设计的故障科目, 如发动机熄火故障, 不同程度的风切变等。
伊利诺伊大学的一个研究小组创建了La RCsim的衍生物, 它具备高度简化的模型, 且唯一真正的用途仅仅是模拟飞行器的巡航状态, 这个改动主要用来研究飞行器表面积累的冰层会对飞行操纵产生的影响。
另一个研究小组开发了一个完全参数化的FDM代码库, 其中所有的信息可通过XML格式的文件进行检索。这个项目能独立运行一个完整的环境模拟, 去测试空气动力学动作和其他行为指标, 并收集Flight Gear环境对象上的各类参数, 以此提供一个集成的数据系统。这一模块主要提供初学者驾驶的教学机与资深飞行员操纵的试验机之间的数据对比。
在不依赖自动控制支持的情况下, 学习操纵飞行器的一个重要方面是理解各种操纵极限和仪表误差, 当然, 这需要飞行数据指示出真实可用信息。但由于传感器固有的误差修正, 仪表面板列示的信息也存在相应误差。当Flight Gear仪表面板先进到仅有两个实施极限而没有任何误差的时候, 程序开发者就从模拟简单的仪表进近到达了重现复杂的落地冲量变化的程度。
这段代码的复杂程度较高, 即便一个简单的陀螺仪也可以发生很多导致误差的异常情况, 比如转速下降、抖动、转轴偏移、因万向节故障而导致停转甚至反向转动、电源供电不足或者偶发闪断。基于大气数据的仪表会在特定的气象条件下出错、响应缓慢、因雨水而导致线路阻断甚至因冰雪覆盖而无法使用。无线电导航则受视线的限制、因丘陵和湖泊而发生特殊的反射现象、而远距离信号站的信号则会被路径上的其他飞行器干扰。这还不包括磁罗盘的各种误差情况。
2 模拟世界
Terra Gear这一项目的目的是开发一种开放源代码的工具, 包括渲染数据库和收集免费的数据去建立地表的3D模型以完成实时渲染功能。互联网上有许多方便可用的地理信息系统 (GIS) 。但由于Flight Gear的核心数据必须不受限制, 因此该项目默认仅使用源码而非任何有强制权限的衍生产品。符合这样条件的代码有三类。
(1) 数字高程模型 (DEM) 数据通常是一组规则网格上的高程点。目前, 免费数据的精度仅达到100-1000米, 这是从美国地址勘探局 (USGS) 得来的。
(2) 其他更特殊的数据, 如机场信标, 灯塔的位置, 无线电发射塔, 诸如此类, 已由各个政府部门一一认可。它们通常提供一个简短的文字描述以及该项目所处的地理坐标。
(3) 多边形数据, 比如地形轮廓, 湖泊, 岛屿, 池塘, 市镇, 冰川, 农田和野生植被可以从USGS或其他源代码获取。GSHHS数据库提供了一个高度详尽和准确的全球地形数据。
从某些渠道获取源数据限制性很强的授权, 然后通过使用Terra Gear工具生成增强后的场景并分发给他人使用的转化行为值得Flight Gear和Terra Gear鼓励, 最基本的开放源代码数据包无法做到这些。
显卡在渲染场景时, 必须在图像质量和运算速度间进行折中。如果显卡的运算速度更快, 那么在保证平滑的视觉效果的同时, 更多的图像细节就会被加入到场景当中。
视觉效果都来自人工合成的, 它具备足够的信息去支持人工的导航行为。压缩数据要求每平方公里约1千字节。所有的场景数据库中包含的信息被统一划分为四个层级, 每个层级的变化规模由特定的因数决定, 最小的视景元素约为100平方公里。
公共领域里发布的数据大都存在质量偏低、日期陈旧或者覆盖面积狭小等问题。由这样的数据生成的场景与真实世界相比可以说是完全错误, 但视觉上却并不容易发现这些问题。这些错误更多的显现在电子导航的过程中, 比如依赖仪表的飞行, 路径公差极其明显。在并不完美的场景中按照Jeppesen航图进行导航是非常令人沮丧的, 有时候用这种方法甚至无法完成导航。
为了避免这个尴尬的结果, Atlas项目组开发了相应的软件, 可以将实景数据和Flight Gear所用的数据库文件自动整合成为带有航空风格的图表。尽管这些数据与真实世界的差异巨大, 对于真实飞行器的运行毫无用处, 但它非常准确的匹配了上述虚拟世界的细节特征, 与Flight Gear的飞行器操作无缝对接。
该项目还包括同名的Atlas应用。这可以用于浏览这些地图, 同时也可以直接与Flight Gear关联, 用以将模拟飞行器当前的位置在移动的地图上显示出来。这个功能在模拟器飞行员中的使用率并不高, 因为大多数小型飞行器都不配备带有移动地图显示功能的GPS组件。不过, 无论如何, 移动地图对于教员给学员评测打分这一环节还是很有用处的。
鉴于二者常用的功能, Flight Gear和Atlas发生关联的情况是比较特殊的。Flight Gear能够向串口或者UDP网口发布一系列符合NMEA标准的位置报告数据流。而Atlas可以接受NMEA格式的位置数据并校正移动地图图像。正在浏览Atlas航图的用户可以放大、缩小或锁定机场、航站楼、地形着色的图像, 还可以对图层进行命名。
参考文献
飞行模拟技术的特点和发展趋势 篇5
1空中飞行模拟技术
1.1空中飞行模拟
飞行模拟技术对于飞行员的训练具有很大的帮助, 模拟环境以及模拟操作可以让飞行员或者是航天员在模拟训练中逐渐熟悉飞行器的操作流程, 模拟技术对于飞行环境或者是航天太空环境的模拟可以让飞行员或者航天员在模拟训练中适应飞行环境, 为实践飞行的操作与适应奠定基础。从根本上讲, 飞行模拟主要是通过专业设计制造的飞行模拟器来实现有关的动力学研究以及运动学的仿真, 让飞行员在视觉上、触觉上产生相同的感知, 针对训练效果以及模拟效果来对相关技术进行调整与设计。
1.2空中飞行模拟器
飞行器主要是一种实验研究对象, 通过飞行器来研究飞机或者是航天器的系统设计、飞行性能、设计参数的合理性等, 是一种实验性的模拟器。模拟器是将现代模拟技术以及现代仿真技术进行有效的结合, 依据设计以及研究的需要建立相关的模拟器, 因此这个模拟器又叫做空中飞行的地面实验室。飞行器主要是通过一些感应系统以及一些电传系统来让飞行员在飞行器中感应并作出相应的行为来改变飞行器的特性, 对飞行器进行有关的专业操作, 对相关的技术以及研究方法进行专业的探索。另外, 在飞行器的模拟训练中会模拟操作相关操作流程, 对飞行器的性能进研究分析, 对飞行器的内部结构以及相关的参数等进行研究。
2飞行模拟技术的特点
2.1视景显示系统
视景显示系统是飞行模拟器的眼睛, 视景的范围越广, 那么飞行员在实践飞行中的任务的覆盖范围也就会相应扩大, 对于目标的确定也就会更加清晰明了, 这种视景状况对于战斗飞行器愈加有利。一般情况下, 模拟的飞行器在水平位置上最好保持正负160度左右, 在垂直位置一般是90度到负40度的垂直视景。视景显示技术在显示系统中应用范围较广, 一般视景技术又分为球幕视景以及头盔视景技术, 在实践应用中球幕视景技术应用范围更加广泛, 在技术上较为成熟, 性价比也较高。头盔视景这项技术在实践中应用范围较窄, 虽然这项技术在各项性能以及指标上更为理想, 但是这项技术相当复杂, 对于仿真技术水平要求很高, 因此在实践中应用范围较小。
2.2飞行模拟器计算机系统
飞行模拟器通过计算机来模拟以及再现了仿真环境, 对物理环境进行实时仿真, 对于模拟器来说, 实时仿真系统是飞行器的核心系统。计算机系统对飞机的复杂性能以及高精度设备进行高度仿真模拟, 通过计算机软件来对系统进行管理与操作。计算机系统下列显著特点:需要控制的通道多, 子系统繁多;整体化操作与控制;计算机系统一般实现多种采样并且采样的速率都是非常高的, 这样才可以计算机系统有效控制与管理模拟飞行器;计算机需要掌握以及控制的模型也是比较复杂的, 每一个模型的各个模块又有很多的通讯数据需要管理与监控。
2.3国际标准化
飞行模拟技术在发展中各个国家加强模拟技术交流, 将模拟技术相关规范进行国际化以及标准化规范, 提高世界模拟技术发展水平。对于各项技术制定相关的行业标准, 各个国家在模拟技术研制与完善过程中也逐步向国家标准化要求靠近。
2.3.1虚拟现实技术
在现实虚拟技术应用中可以通过一个训练平台来完成多项飞行模拟任务, 一机多能功能在实践中获得有效应用。另外, 还需要强化飞行员的飞行任务以及飞行内容, 满足现实飞行技术发展需要。例如, 可以借助现代网络技术来模拟训练环境, 让多个飞行员同时进行有关的训练, 在训练内容上可以通过网络技术上自由切换, 根据飞行员自身的掌握情况来切换飞行训练内容。飞行课程制定上也需要进一步深化, 加深训练难度, 增加飞行员的工作任务, 这样才可以无限接近现实环境, 提高训练效果。
2.3.2环境建模技术
这项技术主要是为了建立更加逼真的虚拟环境, 获取实际环境中的三维数据, 并且结合实际需要来建立与三维数据相对应的模拟环境。环境建模技术最为显著特点技术建模环境的逼真性, 代表着仿真技术的进步。
2.4操作与接口系统
操作系统为飞行员提供了操纵杆的同时系统可以对飞行员的操作过程进行跟踪以及信息的记录与分析, 操作系统的真实程度对于模拟机的真实程度会产生重要的影响。接口系统是模拟机与飞行模拟驾驶舱链接的重要通道, 也是唯一的通道。驾驶舱中的设备与计算机的交互都是通过接口系统来完成的。
3飞行模拟技术的发展趋势
3.1愈加重视模拟技术在实践中的应用
飞行模拟器具有高度仿真效果, 可以取得很好的训练效果, 在教学中也可以获得很好的教学效果。飞行员在教学以及训练中都可以在视觉上、行动上以及感知都获得高度真实的效果, 因此在实践中受到很多国家, 尤其是军方的高度重视与关注。飞行模拟技术以其高度高全性、经济效益以及训练的有效性获得国内外相关人员对于此项技术的重视并将模拟技术进一步发展与研制, 提高技术的应用性能。
3.2加大研制费用, 增加采购量
各个国家结合自身飞行技术发展以及国防建设的需要, 都在不同程度上加大了飞行模拟技术研究开发费用的投入, 增加了模拟技术的采购量, 满足实践研究与训练的需要。例如, 美国在五年内就采购了36亿美元的模拟器用于军方使用。美国军方以及飞行器的制造商都不同程度投入资金来研制不同类型的模拟机型, 满足军用以及商业发展的需要。
4结束语
飞行模拟技术主要是将航空航天技术以及飞行工业中的相关飞行器进行研究, 对空中飞行进行仿真实验并建立相关的飞行建模来探索空中飞行技术, 对飞行器的内部结构、系统的参数等进行研究与模拟。飞行模拟技术主要是依靠计算机硬件与软件来实现模拟技术, 这项技术对于航天航空的发展具有重要作用, 值得研究应用。
摘要：飞行模拟技术是对现代航天工业、现代航空技术以及飞行工业的飞行器等进行模拟飞行技术的研究与分析, 对我国的航空航天技术的发展具有重要是作用。在本文中主要是分析飞行模拟技术的相关特点以及这项技术的发展趋势进行预测。
关键词：飞行,模拟技术,发展趋势
参考文献
[1]陈捷.Thales B737模拟机系统初窥[C].2010年飞行模拟设备管理与维护研讨会论文集, 2000.
飞行模拟器的应用价值论文 篇6
飞行模拟器作为完成飞机飞行控制系统的控制律设计与验证、飞行品质评估、系统设计与优化、机组培训等重要任务的必不可少的手段,在研制先进的电传飞机中起着至关重要的作用。
Real-Time Workshop(RTW)是MATLAB图形建模仿真环境Simulink的重要模块。RTW是由MATLAB/Simulink模型生成能直接在实时操作系统中独立运行的可执行C代码,并且也可根据目标机配置自动生成适合该目标机软硬件环境的可执行程序。通过使用RTW工具,可以大大地减少飞行模拟器实时仿真软件的开发周期,节省开发成本。同时,RTW可以支持多种目标机类型,包括可支持的硬件DSP、X86、Power PC等,也包括可支持Vx Works/Tornado等实时操作系统。
Vx Works是由美国Wind River公司开发的一套具有微内核、高性能、可伸缩的32位实时操作系统。Tornado是Vx Works的集成开发环境,用户可以使用主机上的Tornado开发环境来编辑、编译、链接和存储实时代码,然后在Vx Works上进行运行和调试。
本文在飞行模拟器的仿真软件的研发中运用了Matlab/RTW和Vx Works的实时仿真技术,更加逼真地反映飞机总体性能和飞行品质。
1 飞行模拟器仿真系统
飞行模拟器仿真系统通过建立飞机的气动模型、运动学模型以及机上电源、燃油、液压等系统数学模型来实现对飞机的飞行特性、动力特性以及相关系统逻辑的模拟。
飞行模拟器仿真系统响应飞控、液压等系统的输入,计算出对应于飞行员操纵时的飞机位置(机场坐标或经纬度)和飞行状态(高度、速度、姿态角等),然后通过接口系统输出计算结果给座舱仪表、视景等系统,以提供飞行员实时的操纵反馈和视觉感受。
为了向飞行员提供实时的飞行模拟感受,飞行模拟器的仿真软件采用了Matlab/RTW和Vx Works的实时技术,以更加逼真地反映飞机总体性能和飞行品质。
2 Matlab/RTW技术在飞行模拟器中的应用
RTW作为MATLAB/Simulink的扩展,可以将用户构建好的MATLAB/Simulink模型自动生成在实时操纵系统(如VxWorks操作系统)上独立运行的C代码,大大地提高了编写飞行模拟器实时仿真软件的效率。
飞行模拟器的仿真软件通过MATLAB/Simulink编制的。采用RTW将所编制的Matlab/Simulink仿真软件生成可以在实时操作系统Vx Works上运行的代码。主要包括MATLAB/Simulink模型的构建、RTW文件生成、自动生成C代码、硬件接口软件的开发、代码编译、系统集成等6个步骤,具体如下:(1)MATLAB/Simulink数学模型的构建。首先,根据设计需求文件,利用MATLAB/Simulink建立系统的Simulink数学模型,形成model.mdl的数学模型文件。然后,在Simulink平台下运行model.mdl的数学模型文件,校核数学仿真结果与设计需求文件的一致性,并作相应的修改和调整;(2)rtw模型文件生成。通过运用RTW将Simulink数学模型生成model.rtw模型文件。model.rtw模型文件包含了Simulink数学模型的所有描述;(3)自动生成C代码。在结合系统目标文件的基础上,通过目标语言编译器TLC(Target Language Compiler),将model.rtw模型文件转换为独立可执行的C代码;(4)硬件接口软件的开发。根据系统设计文件,开发系统的接口软件,并且要与所自动生成的C代码相匹配;(5)代码编译。将运用RTW自动生成的C代码和系统接口软件,通过C编译器进行编译和链接,并下载至目标板上;(6)系统集成。在代码下载至目标板后,进行全系统的闭环仿真,并分析仿真结果的正确性。根据分析结果,修改或调整MATLAB/Simulink数学模型,一直达到预期效果。
3 飞行模拟器实时仿真系统的构建
飞行模拟器实时仿真系统由飞行仿真系统、飞控仿真系统、驾驶舱设备仿真系统、航电显示系统、视景系统、音响仿真系统等组成。
根据各系统的组成及结构,飞行模拟器实时仿真各子系统之间通过以太网UDP协议进行数据共享和数据交互。其中,飞控仿真系统、驾驶舱设备仿真系统、航电显示系统、视景系统、音响仿真系统均配置一台计算机连接到飞行仿真计算机主机中。由飞行仿真计算机负责向各自的系统进行数据的分发。各计算机节点的接口如图1所示:
实时仿真开发调试计算机将编译好的程序通过以太网下载到实时仿真计算机主机。各仿真计算机与实时仿真计算机主机通过以太网UDP协议通讯,获取并刷新计算数据。
在飞行仿真计算机主机上将Simulink模型通过RTW生成可独立执行的C代码,并运用Tornado提供的编译器进行编译。通过Tornado提供的Wind Sh将RTW程序创建工具产生的目标文件下载到Vx Works目标机中。实时程序在VxWorks目标机上运行,并通过I/O设备与外部硬件进行连接,从而进行飞行模拟器实时仿真系统的闭环仿真,如图2所示。
4 仿真效果
图3是RTW/Vx Works实时仿真与Simulink纯数字仿真的比较。实线是Simulink数字仿真的结果,虚线是RTW/VxWorks的结果,两者的吻合程度是比较好的,误差是由于数字仿真方法及采样率等因素造成的,并且可以接受。
5 结束语
飞行模拟器在研制先进的电传飞机中起着至关重要的作用。本文在飞行模拟器的仿真软件的研发中运用了Matlab/RTW和Vx Works的实时仿真技术。通过RTW/Vx Works实时仿真与Simulink纯数字仿真的比较,两者的吻合程度比较好,取得了较好的效果。
参考文献
[1]The Math Works Inc.Real-Time Workshop for Use with Simulink(version6)[M].USA:The MathWorks Inc,2004.
[2]赵旭东,贾荣珍.ARJ21飞机工程模拟器关键技术研究[J].系统仿真学报,2009(21).
一种基于CFD的飞行模拟方法 篇7
飞行器设计过程中, 需要不断进行风洞实验、数值模拟和飞行试验, 对飞行器性能进行评估, 以不断改进设计方案, 如图1所示。传统的飞行模拟方法是, 通过大量的风洞实验或针对一系列工况的稳态数值模拟, 建立气动数据库, 拟合出升阻力系数随攻角、马赫数、雷诺数的变化规律, 即
文献[4]最早对飞行力学方程+NS方程联合求解技术进行了研究, 模拟了平板下落问题。文献[2]用同样的方法, 通过在每个时间步内同时求解飞行力学方程和NS方程, 以二维翼型为研究对象, 预测其飞行轨迹。计算结果分别与风洞实验结果和稳态CFD数据库计算结果进行了对照。文献[5]将CFD程序SACCARA、材料热响应 (MTR, Material Thermal Respose) 计算程序COYOTE、飞行力学轨迹计算软件TAOS、网格更新程序CSCMDO结合起来, 对IRV—2高超声速飞行器的性能进行了评价。飞行轨迹计算和材料热响应计算在每两次稳态CFD计算之间进行。文献[3]将CFD计算加入飞行模拟器中, 用于对再入飞行器在初始设计阶段进行外形优化, 以减少对多个外形进行反复计算所消耗的时间, 研究对象为德尔夫特太空返回测试 (Delft Aerospace Re-entry Test, DART) 的验证飞行器。该文献同时指出, 将CFD实时模拟与飞行力学结合模拟非常耗费时间, 适用于得出初始设计方案后, 在详细设计阶段使用, 以得到更精确的数据。
近年来, 6DOF仿真被越来越多的引入CFD求解器中, 对飞行器在流场中的运动进行精确模拟, 如今主流CFD软件也都已具备了6DOF模拟能力。文献[6,7]引入OVERSET动网格技术, 模拟了战斗机挂载投放问题。文献[8]同样用OVERSET动网格技术, 同时求解NS方程和6DOF刚体动力学方程, 研究了NASA LGBB航天器的两级分离过程。文献[9]以可变形微小飞行器为研究背景, CFD+cfd (computational flight dynamics) , 研究了二维平板和三维三角翼在非定常流场中的刚体运动规律。文献[10]通过对FLUENT进行二次开发, 使其具备了刚体动力学求解功能, 研究了昆虫振翅过程与非定常流场的相互作用, 阐述了其推力产生机制。文献[11,12,13,14,15]采用商用CFD软件CFD++, 实现了CFD+RBD (Rigid Body Dynamics) 紧密耦合求解, 研究了有翼导弹在不同飞行参数下的运动, 同时得到了其飞行轨迹和非定常气动载荷, 气动力和轨迹的数值模拟结果与飞行实验吻合良好。尽管通过CFD+6DOF可以得到飞行器的精确运动情况和载荷分布情况, 但由于受到动网格技术的限制, 这一方法仅适用于挂载投放等短时间、短航程问题的模拟, 无法模拟长航程机动飞行过程 (因飞行条件在较大范围内快速变化) 。
现分析了飞行力学计算与CFD计算之间的影响关系, 在此基础上开发出基于高精度CFD计算的飞行力学模拟方法, 详细考虑机动飞行过程中飞行环境参数的不断变化对气动力计算结果的影响, 以及气动力的变化对飞行轨迹的影响, 改进了传统飞行力学计算方法, 提高了飞行力学计算中所需气动数据的准确性, 从而保证了飞行模拟精度。技术手段上, 采用“A+”方式 (即对单一软件通过二次开发拓展其功能) , 在CFD模拟的基础上实时求解飞行力学方程, 通过一次数值模拟可得到飞行过程中气动力、飞行轨迹、飞行速度等的变化过程。
1 理论基础
1.1 流动控制方程
控制流动的基本方程由连续方程、动量方程和能量方程组成, 为方便有限体积法使用, 将控制非定常可压缩流动的Navier-Stokes方程写成守恒形式
其中, ρ为密度;t为时间;
其中vx、vy、vz为
此外, 为使Navier-Stokes方程封闭, 还需补充状态方程:
1.2 飞行力学方程
不失一般性, 以二维情况为例, 地面坐标系下, 飞行器在的垂直平面内质心运动方程为
式 (2) 中V为飞行器速度, γ为航迹倾角, α为攻角, m为飞行器质量, Tengine为发动机推力, D为气动阻力, L为气动升力。D和L通过对流场表面压力及黏性力积分得到。
2 飞行力学与空气动力学的影响关系
飞行力学方程 (2) 为流动方程 (1) 的求解提供输入条件, 如来流马赫数、来流压力、来流温度及来流物性参数等;同时, 流动方程 (1) 的求解结果又影响了飞行力学方程 (2) 的计算结果。为了进行CFD的准确模拟, 需要首先确定飞行操作条件的变化;而CFD模拟结果同时又影响了飞行操作条件的变化。
根据方程组 (1) 和方程组 (2) 得到飞行力学和空气动力学的影响关系如图2所示。发动机推力和攻角为可控量;给定攻角、马赫数和相应的大气环境参数后, 可以通过不同方法得到气动力;根据气动力和推力求解飞行力学方程可以得到航迹倾角、飞行速度、飞行高度、航程等运动学量;飞行速度影响来流马赫数, 飞行高度影响大气环境参数, 使得来流压力、温度、密度、黏性系数均不断变化, 进而影响气动力求解结果, 大气压力和温度随高度的变化如图3所示, 因此在机动飞行中必须对来流物性变化加以考虑。
3 基于CFD的飞行力学求解方案
在非定常CFD模拟的同时进行飞行力学方程的求解, 将运动方程的求解嵌入CFD求解器中。飞行力学方程的数值求解方法见方程组 (3) 。根据方程组 (3) , CFD为飞行力学方程求解实时提供升阻力即D、L值, 并根据飞行力学方程的求解结果实时改变CFD计算条件。
实现上述算法的求解框架如图4所示。这一技术框架的优点是, 无需使用动网格技术, 提高了求解效率, 并克服了采用动网格技术在长航程模拟中需要将流场区域无限扩大的困难。一般来说, 飞行力学方程求解所需的时间步长远大于CFD时间步长[2], 根据问题的特点, 通过调整时间步长和数据更新频率保证每两次飞行力学方程计算之间流场计算的收敛性。
4 数值模拟
以二维NACA0012翼型代表飞行器, 每1 m翼展承受的飞行器质量为200 kg, 假设飞行器从10 000 m高空开始无动力滑翔, 攻角可控, 模拟其后运动状态。
计算网格如图5所示, 计算初始条件为
将攻角分别控制为1°、3°、5°。得到的飞行速度、航迹倾角、气动阻力、气动升力随时间的变化曲线以及飞行轨迹分别如图6至图10所示。结果表明, 当攻角α较小时, 飞行器直接着陆;而当攻角较大时, 飞行器可实现跳跃式飞行。这一结果证明, 当增加攻角, 即增加升阻比后, 飞行轨迹可以发生跳跃, 且跳跃频率随着升阻比的增加而增加。
飞行32 000 m时三种攻角的飞行参数及剩余能量对比如表1所示, 可见, 跳跃飞行有助于节约能量, 提高机动性, 增加航程, 但同时也增加了飞行时间, 因此需要在机动性、航程、飞行时间三者之间根据具体设计目标进行权衡。
5 结论
提出了一种高效、准确的长航程机动飞行模拟方法, 此方法基于高精度CFD计算, 将飞行力学方程的求解嵌入到非定常CFD模拟中, 详细考虑气动力与飞行力学运动量之间的相互影响, 保证了飞行模拟精度。通过一次数值模拟, 可以得到飞行过程中气动力、气动热及飞行轨迹、速度等的变化过程。此方法适合于在详细设计阶段同时进行载荷、姿态及航迹的精确模拟。
采用二维翼型对算法进行了验证, 得到了合理的计算结果, 初步证明了本方法的可行性, 本方法可直接推广到三维外形的飞行模拟中。
摘要：分析了飞行力学模拟与CFD模拟之间的影响关系。详细考虑了机动飞行过程中飞行参数变化与气动力变化之间的相互影响, 开发出基于高精度CFD计算的飞行力学模拟方法。改进了传统飞行力学计算方法, 保证了气动数据和飞行数据的计算精度。采用此方法, 通过一次数值模拟即可得到飞行过程中气动力及飞行轨迹、飞行速度等的变化过程, 可用于对飞行器设计方案进行精细模拟。