一种基于osg的双旋翼直升机仿真系统与程序实现[word文档]

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1、一种基于OSG的双旋翼直升机仿真系统与程序实现关键字：OSG,旋翼,直升机,直升,仿真,系统,程序实现,程序,实现一种基于OSG的双旋翼直升机仿真系统与程序实现本文为Word文档，感谢你的关注！　　摘要：介绍了一种共轴双旋翼直升机的仿真建模方法及系统开发，包括整机动力学计算方法、旋翼拉力计算方法、基本飞行控制方法、仿真系统的组成以及程序开发。在旋翼拉力计算中采用了动态入流理论实现了气动载荷的实时计算，并针对共轴双旋翼及机体的气动耦合性提出了修正方法。系统主体及可视化程序采用OSG开源项目开发，而动力学计算程序采用C++编程语言设计，

2、系统不依赖于第三方商业软件，且具有研发效率高、可视化效果好和扩展性好等特点。　　关键词：双旋翼直升机；空气动力学建模；OSG；计算机仿真　　TP319　　16727800（2017）004008905　　0引言　　目前，直升机仿真系统特别是共轴双旋翼直升机仿真系统已经在国内外军事、商业、教育等诸多领域得到广泛应用，并取得了相关研究成果[1]。1985年英国南安普顿大学的MJAndrew[2]利用自由尾迹模型研究了共轴双旋翼直升机旋翼的尾迹结构，并建立了悬停状态下双旋翼相互干扰的计算方法，但是由于预定尾迹模型的限制，该算法没能推广到其

3、它飞行状态中；1990年加拿大的Valko[3]根据动量理论与叶素理论计算结果相同的原则通过迭代法获得了上下旋翼气动干扰模型，进而建立了轴向飞行和前飞状态下共轴无铰直升机的动力学模型，填补了之前的空白；2008年马里兰大学的ShreyasAnanthan和Leishman[4]利用动量叶素理论建立了悬停状态和垂向运动时共轴双旋翼的气动力模型，虽然两人未能考虑下旋翼对上旋翼的影响，却引领后来研究者普遍采用动量叶素的方法建立模型；2012年夏青云等[5]分析了变转速共轴双旋翼的载荷分布，采用动量叶素理论建立了悬停状态下共轴双旋翼的气动力

4、模型。上述工作解决了各自的建模方法问题，但计算都十分复杂，计算量大很难实现实时解算。天津大学的于琰平[6]利用FlightGear建立了四旋翼无人机的三维可视化仿真系统，该系统使用了GUI界面实现了飞机仪表的开发，并利用C++实现了GUI界面与Flightgear之间的数据传输；吉林大学的吴文建在MATLAB中搭建了共轴刚性直升机的数学模型，联合MATLAB和FlightGear[7]建立了共轴刚性直升机全数字视景仿真平台，并以CFD分析所得的旋翼参数作为模型参数进行了垂向运动和前飞状态下的联合仿真。在直升机飞行仿真建模方面，旋翼拉

5、力计算方法是关键，而空气入流速度计算是旋翼拉力计算的组成部分，其直接影响旋翼拉力计算结果，上述工作及其它公开资料主要采用均匀入流假设，其计算简单，但与实际情况存在一定差异；仿真的可信度取决于仿真模型准确度，而仿真模型需要采用有效的校正方法以符合实际情况、提高模型的准确度，但目前尚未见到有效的方法。针对上述问题，本文介绍了共轴双旋翼直升机仿真建模方法及系统开发，在旋翼拉力计算中采用了动态入流理论实现了气动载荷的实时计算，并针对共轴双旋翼及机体的气动耦合性提出了根据实验数据的修正方法。系统程序方面采用OSG开源高级图形库与C++语言开发

6、，其不依赖于第三方软件，具有扩展性好、重用性高等特点。　　1共轴双旋翼直升机数学模型　　1.1动力学模型　　共轴双旋翼直升机动力学仿真系统的核心问题就是建立动力学模型求解不同状态下目标直升机所受到的合力与合力矩，再通过力和力矩求解六自由度运动微分方程从而获得直升机的飞行状态。根据动量及动量矩定理，共轴双旋翼直升机的力和力矩及运动学方程表示如下：　　在上述公式中，上下旋翼的合力与合力矩计算是难点。在这一方面有很多学者给出了计算方式，这些计算方式主要分为两种：一种是理论计算法，通过现有的力学、空气动力学等理论计算出双旋翼气动力；第二种是

7、通过实验观察获得实验数据，并通过整理实验数据获得双旋翼气动力曲线。上述两种解算方式中，第一种方式的计算量过于庞大，第二种方式则太过于依赖实验，本系统采用叶素法并根据实验数据引入诱导速度干扰系数K修正结果，该算法首先需要将桨叶分为若干微段，每一段定义为一个叶素，并将每一段的力与力矩以微分的形式表达出来，其表达式如下：　　其中，已知量为c桨叶弦长，dr叶素的宽度，ρ为当地空气密度，上述微分项通过�e分可求解出旋翼气动力与力矩。其中的未知量CL、CD、CM分别为升力系数、阻力系数、力矩系数，‖Va‖为气动速度的幅值。这两个未知量都需要通过

8、气动速度Va求解，其表达式如下：　　上述数学模型由于是基于实际实验数据进行的拟合与求解，因此比单纯理论计算的精度要高，数据量相对较小，并且也不完全依赖于实验获得数据，因此也不会对实验条件有很高的要求，可以适应实时仿真的计算量要求。〖B