固定翼飞机飞行游戏中的模拟飞行技术

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北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告一、论文的进展情况1.1课题研究内容介绍本文研究的主要对象是固定翼飞机飞行游戏中的模拟飞行技术，其中，行为建模方法是模拟飞行技术的关键，也是技术研究的难点。课题研究最终目标成果是设计出较为真实的飞行控制模型，并且实现完整的模拟飞行游戏系统，要求具有实时性和用户沉浸感。模拟飞行技术的研究伴随着第一架飞机的诞生，模拟飞行技术的研究经历了机械模拟，半机械半数字模拟，数字模拟多个阶段。目前模拟飞行系统主要应用于模拟飞行竞技娱乐和模拟飞行训练两个方面。本课题研究内容主要包括：飞机部件结构、引擎结构、控制系统分析；飞行原理分析；行为建模方法研究和模拟设计；数学模型相关系数的数值计算方法；飞行游戏相关模块建模设计。1.2课题研究安排及进展本课题在研究过程中，其研究过程和工作内容主要划分为以下几个阶段：（1）确定研究方向和研究内容，阅读学习相关文献资料，了解相关研究技术和研究价值。（2）分析模拟飞行的主要研究难点，制定具体的研究方案，确定课题的可行性，完成开题报告。（3）了解固定翼飞机部件结构，系统构成；学习和分析飞行原理，学习3D引擎开发，以及引擎中的物理系统等。（4）查找相关型号的飞机参数和飞行实验数据。（5）选择适合的飞行行为建模方法，设计合理的飞行控制模型。（6）飞行实验数据分析，模型计算，并完成相关数值计算方法的选择。（7）设计飞行游戏的其他相关模块，丰富模拟飞行的内容，增强模拟效果。13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告（1）完成模拟飞行系统的框架设计及开发。（2）给出研究结果，分析研究中的优缺点，评价课题研究结果。在课题研究的这段时间里，已经完成了研究计划中的前六项工作内容，对于第八项内容也做了初步研究和学习。前两项工作是课题研究的必要阶段，只有建立的一定的知识储备之上，才能充分的了解课题研究概况，确定研究的方向，在前人的基础之上展开研究工作。第3和第4阶段，是模拟飞行研究的基础，对飞机的飞行行为建模，了解其原理和构造，从原理和构造入手，才能真正的仿真出飞行的状态，达到预期效果。其中第5和6阶段为本课题研究的核心内容，即飞机行为模型的建立与计算，这项工作是决定了模拟飞行最终能否达到研究的要求，即良好的沉浸感，和实时性的操控感受。第7项工作内容主要包括实现一个完成的模拟飞行游戏系统的设计，涵盖了飞机仪表数据的计算，飞机操控驾驶视角的设计，飞行中的碰撞检测等问题。第8项是模拟飞行的实验阶段，完成游戏的模块、接口设计等内容，按照研究的成果在3D引擎中开发实现一个模拟飞行游戏系统。最后的工作就是总结课题研究的成果、创新点和不足之处，指出未来需要继续研究的方向。二、论文工作中已采用的原理、手段、技术方案2.1研究中所涉及的原理（1）飞机的组成部分飞机主要由五大部分组成，分别是机身、机翼、尾翼、起落装置、动力装置。Ø机身是装载机组、旅客、货物和其他必须设备。将飞机的其他几个部分（机翼、尾翼等）联接为一个整体。13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告Ø机翼产生升力和阻力，在飞机的稳定性和操纵性中扮演重要角色，机翼上安装的可操纵翼面主要有副翼、襟翼。Ø尾翼操纵飞机的俯仰和偏转。是飞机稳定性的重要组成部分Ø起落装置，起落装置用于飞机的起飞、着陆和滑行并支撑飞机。飞机的主轮上装有各自独立的刹车装置。但是本课题中主要研究飞行状态，不涉及飞机起落的研究。Ø引擎系统，一般固定翼飞机的引擎系统位于飞机的机翼或则尾翼部分，为飞机的提供推力或者拉力，如下图。涡轮桨叶式涡轮风扇式13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告（2）飞行原理分析飞机在空中翱翔，升空、降落、盘旋，是各种力综合作用于飞机的结果，这其中主要包括空气动力，引擎推力，地球引力。飞机主要是靠空气动力升空飞行的，当飞机在空中飞行时，就会产生于作用于飞机的空气动力，克服地球引力，实现了飞机的升降。同样飞机在空中的翻滚和偏转，主要也是依赖于副翼，转向舵等部件产生的空气动力。空气动力产生于空气流动，流动的空气是一种流体，其存在着基本规律。关于流体存在着两个基本定理：连续性定理和伯努利定理。连续性定理：当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管子，由于管中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来，因此在同一时间内，流进任意切面的流体质量和从另一切面流出的流体质量应该相等。连续性定理阐述了流体在流动中流速和管道切面之间的关系。流体在流动中，不仅流速和管道切面相互联系，而且流速和压力之间也相互联系。伯努利定理：流体在一个管道中流动时，流速大的地方压力小，流速小的地方压力大。伯努利定理就是要阐述流体流动在流动中流速和压力之间的关系。飞机的升力绝大部分是由机翼产生，尾翼通常产生负升力，飞机其他部分产生的升力很小，一般不考虑。空气流到机翼前缘，分成上、下两股气流，分别沿机翼上、下表面流过，在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出，流管较细，说明流速加快，压力降低。而机翼下表面，气流受阻挡作用，流管变粗，流速减慢，压力增大。这里就引用到了上述两个定理。于是机翼上、下表面出现了压力差，垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样重于空气的飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力，从而翱翔在蓝天上了。机翼升力的产生主要靠上表面吸力的作用，而不是靠下表面正压力的作用，一般机翼上表面形成的吸力占总升力的60-80%左右，下表面的正压形成的升力只占总升力的20-40%左右，如下图所示。13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告同时飞机飞行在空气中会有各种阻力，阻力是与飞机运动方向相反的空气动力，气流作用于物体表面的法向力及气流对物体表面的切向摩擦力，形成了阻力。它阻碍飞机的前进，按照阻力产生的原因可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力。课题研究中主要考虑压差阻力，机翼的截面可以划分为：顺压区、逆压区、分离点，如下图。翼型前缘高压区与后缘低压漩涡区，形成向后的压力差，这个压力差阻碍飞机的前进，所以称之为压差阻力。Ø顺压区：最小压力点前,流速增加，压力降低,附面层薄Ø逆压区：流速减小，压力升高，附面层增厚Ø分离点：空气不沿翼面流动，附面层分离形成漩涡区升力不再增加2.2研究手段及技术方案（1）模型假设建模是对真实世界的抽象，由于现实的复杂性，课题研究首先对一些难以计算又无关紧要的因素予以假设。建模的过程实质是一个抽丝剥茧的过程，通过不断提取物体行为的主要特征，来提炼出可以量化事物的方法，采用数学的语言区描述一个物体的行为。13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告本课题研究中，为了能够提炼出一个基本的飞行行为模型，对于飞机的结构，地形环境条件做了简化，更加突出主要飞行行为的主要特征，在于基础模型之上，通过添加飞机结构细节，可以泛化出诸多不同型号飞机的精密的飞行模型。（2）建模思想及方法飞行行为建模是探索一种能够尽可能贴近真实的固定翼飞机飞行行为的模型。行为建模的主要目标是对飞机的行为(包括速度和姿态的变化)进行准确的建模，使得能在计算机上对其进行模拟。飞机是六个自由度运动的飞行器，分别是三轴上的位移变化和角度变化，具体的描述变量包括：x,y,z轴的位移，速度，加速度，角度，角速度，角加速度，这些变量也描述飞机模型的参数。影响飞行运动的因素繁多且复杂，采用面向对象的建模思想。建模主要分为三步：第一步，先对飞机的控制系统进行建模，包括飞机的操作对于飞机部件变化的影响；第二步，对建立飞机的受力模型，分析飞机各个子系统气动力、引擎推力、大地引力等。这一步是建模过程中的核心，可以将飞机受力划分为不同的子系统，先对子系统进行建模分析，在整合到整个飞机系统中，对整体建模优化，采用了分治思想；第三步，建立飞机的运动学模型，根据飞机的固有参数以及飞行相关变量的改变，来对飞机运动变化做出反应，计算飞机的状态变化。建立飞机模型的过程中，按照飞机受力和力矩产生的原因不同，可以划分为升力系统，阻力系统，转向力系统，推力系统，俯仰力矩系统，偏转力矩系统，滚转力矩系统。对这些子系统的分别建模分析，最终得到飞机整体的模型。（3）模型计算方案对于建立的飞机飞行控制模型，仅仅是一个复杂计算程序，仍然需要数据的校对和填充，才能真正地得出模型，实时通过模型得出计算机飞行仿真的数据结果。通过理论建立的飞机模型，能够相对准确的描述飞机的行为，但是其计算过程存在着较大的计算量，难以满足飞行模拟的实时性计算的要求。这就对于模型的技术提出了更高的要求：即需要在模型计算的实时性和准确性中找到一个相对的平衡点，能够满足飞行仿真这两个方面的要求。13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告本课题采用数值计算方法来解决这个问题，力图简化模型的计算过程，使得一般的家用计算机可以实时计算出飞行仿真的结果，同时又能保证模型的准确性，来保持飞行的真实感。具体涉及的模型计算主要是气动力模型中的系数计算：如升力系数、阻力系数等。综合采用多种拟合算法和插值算法，综合选取相对较优的计算方法，来选取模型的参数。三、论文的研究成果（1）飞行行为描述方法模拟飞行建模中，设置了两个坐标系，这两个坐标系分别是世界坐标系和机体坐标系，由于将建模世界中地形假设为平面地形，所以均采用笛卡尔坐标系。世界坐标系是系统的绝对坐标系，在没有建立用户坐标系之前画面上所有点的坐标都是以该坐标系的原点来确定各自的位置的。固定在飞行器或者飞机上的遵循右手法则的三维正交直角坐标系称为机体坐标系，其原点位于飞行器的重心，OY轴位于飞行器参考平面内平行于机身轴线并指向飞行器前方，OZ轴垂直于飞行器参考面并指向飞行器右方，OZ轴在参考面内垂直于XOY平面，指向航空器上方，如下图所示，绿色为Y轴，红色为X轴，蓝色为Z轴，满足右手坐标系规则。13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告在研究过程中，采用xyz表示飞机在地形环境中的位置坐标，欧拉角来描述飞机的飞行姿态，这就是所谓的六个自由度的描述。采用如下矩阵来描述飞机在每个时刻的运动状态，列向量依次表示X，Y，Z三轴方向的飞行线速度、飞行线加速度、角速度、角加速度。vxvyaxωxαxayωyαyvzazωzαz（2）飞行气动力建模方法研究飞行气动力是影响飞行行为最重要的因素，建立气动力模型，本文采用了分治的算法思想，对产生气动力的各个部件逐个建模，让各个模型共同作用于飞机的整体，考虑整个系统的建模。飞机的气动力模型可以归结为实时计算出飞机的所遭受的气动力和气动力矩。力是改变飞机速度，产生位移的原因；力矩是改变飞机角度，产生角速度的原因。力和力矩数值飞机运动模型计算的重要变量。气动力基本计算公式：F=12 ρ v2 sC其中s为面积，C为系数，ρ为空气密度，ν为空气流动的速度。13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告（1）机翼模型机翼是产生升力的主要结构，在高速飞行过程中，机翼也会产生巨大的压差阻力。一般固定翼飞机上机翼还包括副翼和襟翼。其中副翼产生的气动力矩，决定飞机翻滚，也就是绕Y轴转动；而襟翼则可以给飞机提供升力的部件。当气流流过有迎角的机翼时，在机翼的前缘分流，后缘汇合。机翼上表面气流路程较长，流速较快，由伯努利定理，上表面的压强较小；流经下表面的气流，路程较短，流速较小，压强比上表面大，上下表面气流的压力形成了压力差，总和就是升力，升力垂直于翼面弦线。机翼的升力计算公式如下：Fwing=12 ρ v2∙ swing∙Cwing其中 swing是飞机的机翼的面积，Cwing是升力系数。对于副翼而言，位于飞机机翼两侧，如下图，副翼控制过程中，其转动的方向一直相反，所以产生的气动力也正好相反，由此产生了绕Y轴旋转的滚转力矩。13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告由副翼产生的滚转力矩的计算公式如下，其中 sflap飞机的机翼的面积，Cflap是升力系数。Lflap表示Y到受力点得垂直距离矢量，滚转力矩就等于副翼气动力和距离矢量的叉乘。Fflap=12 ρ v2∙ sflap∙CflapMflap=2∙Fflap×Lflap襟翼主要是在飞机起飞过程，或者升空过程中，需要给飞机提供升力的部件。襟翼产生气动力同机翼类似，其计算公式如下：Fslat=12 ρ v2∙ sslat∙Cslat（2）尾翼模型尾翼是保证飞机平稳飞行的结构，飞机的尾翼一般集中了升降舵，和转向舵两个部分。顾名思义，升降舵的转动产生气力矩制飞机的俯仰姿态，即绕X轴转动。转向舵转动产生的力矩控制飞机的偏转，即飞机绕Z轴转动。升降舵一般位于尾翼的两侧，升降舵的一般式联动状态，当升降舵前缘向上的时候，由伯努利定理可知，会产生向上的气动力，气动力作用于飞机尾部，距离飞机的的X轴存在一个距离矢量，因此会产生指向X负轴方向的俯仰力矩，飞机姿态也会向下转动。Felevator=12 ρ v2∙ selevator∙Celevator13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告Melevator=2∙Felevator×Lelevator转向舵一般位于尾翼中间，垂直于升降舵，有的飞机机型存在双转向舵。其转动所产生的气动力矩可以改变飞机的偏转角度，其计算公式如下：Frudder=12 ρ v2∙ srudder∙CrudderMrudder=Frudder×Lrudder（3）侧滑力计算13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告飞机在飞行过程中会产生飞机的速度和飞机机头朝向不完全一致的情况，这个角度差，称之为侧滑角，由于侧滑现象的存在，由此会产生侧滑力，侧滑力的是在飞机运动过程中产生的力，如下图。假设侧滑力作用于飞机的中心，沿X轴的方向，其计算公式如下：Y(β)=12 ρ v2sCyββ其中ρ 空气密度，ν  飞机速度，S飞机速度， Cyβ 侧滑系数，β是侧滑角。四、待解决的问题及拟解决方法（1）模型还没有考虑阻尼，空气的摩擦力等因素，这对于飞行模型的准确性影响较大。（2）模型的设计思想是面向对象的，只是完成了一个基础的飞行模型。目标是在实习系统开发中以真实的飞行模型为原型，来进一步完善模型细节，进行飞行实验。（3）模拟飞行系统设计尚未完成。如何能够有效设计各个模块，设计好各个函数之间的接口，是下一阶段的主要研究内容。13 北京理工大学工程硕士学位论文（设计）开题报告五、下一步的工作计划时间内容2015/1-2015/2研究Unigine3D引擎系统，完成数值计算的相关工作和模拟飞行的系统设计。2015/2-2015/3完善模拟飞行模型和系统设计，分析课题研究优缺点。2015/4-2015/5撰写学位论文2015/5-2015/6最后修改论文，准备答辩13