CN106909762A - 一种模拟飞机的可视化系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种模拟飞机的可视化系统的设计方法，包括如下步骤：（1）一台PC机运行Matlab/Simulink软件，另外一台PC机上运行FlightGear飞行模拟器和客户端软件；（2）第一台PC机的Matlab/Simulink软件中运行着直升机的动力学模型和飞行控制器模型，通过运算，客户端实时发送给第二台电脑的FlightGear视景软件予以显示；（3）第二台PC上运行的客户端软件可以经由RS232协议控制模块传输更改后的控制参数给Matlab/Simulink的控制器模块，作用于动力学模型，构成整个可视化回路。本发明经过长期大量的测试与验证，运行稳定性好，使用效果良好。

Description

一种模拟飞机的可视化系统的设计方法

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，尤其是涉及一种模拟飞机的可视化系统的设计方法。

背景技术

直升机的发展已有百余年的历史，其垂直起降、悬停、侧飞等优越的低空性能，以及毫不逊色的高空高速性能令其他飞行器望尘莫及。直升机适于在不同天气条件和复杂地面环境下执行各种任务，现已广泛用于作战、运输、巡逻、救护等多个领域。直升机技术已经成为航空高技术的重要组成部分，受到世界各国的普遍重视。直升机飞行性能的研究、飞行品质的评估是直升机研制过程中不可或缺的重要环节。飞行可视化作为一种经济有效的途径，利用计算机对直升机飞行过程进行大量的模型计算，从中发现问题和缺陷，寻找解决和改进的方法。在保证安全的前提下，可视化是测试新设备与技术的最佳手段。飞行可视化平台在军事和民用领域都有广泛的应用，极具研究价值。飞行可视化可安全的重现多种人机失效状态，有利于研究人员分析和解决相关难题。这是一项涉及多门交叉学科的高、精、尖技术，也是国防建设迫切需要的研究内容。但现有可视化一般只能提供数值形态的计算数据，不够直观，控制系统中非常见形态的缺陷很难发现，这有可能成为飞行器的隐患，甚至产生致命的后果。针对当前问题，进一步建立更加直观的视景可视化平台成为飞行器可视化的一种趋势。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、可视化和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及可视化精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂可视化和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

Simulink是MATLAB中的一种可视化可视化工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、可视化和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和可视化中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的可视化结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域可视化和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、可视化、执行和测试。.

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、可视化的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

当前，直升机的发展趋势朝着高度集成化、稳定性、可靠性、自主性以及长航时、高速度、大载荷等方向发展。直升机飞行可视化系统的研究是在以一套完善的飞行控制系统的基础上展开的，因此，要说明飞行可视化系统的需求，就必须先说明飞控系统的需求分析。

直升机飞行控制系统大致有以下的需求：

①直升机是稳定性差、耦合度高的飞行器，不易控制，具有多变量、非线性交耦和柔性结构的动力学特性，需要建立能够准确描述直升机特性的非线性动力学模型；②要求有精确的姿态控制、自主定点、起飞/着陆、轨迹自主控制（包括预定航线自主飞行、遥控飞行等任务）。直升机飞行受气象环境影响大，还要求有较强的抗风扰动能力和准确的飞行控制；③飞控系统需要满足控制文件所规定的与所有外部设备的接口要求，例如数字量接口的通讯格式、模拟量比例因子等；④要求有较强的监控能力及友好的人机控制界面。

通过对飞行控制系统技术需求较为深入的理解，并紧密结合项目实际需要，对飞行可视化系统的开发提出如下技术需求：

①构建高置信度的对象特性模型，包括直升机非线性动力学模型、发动机模型、执行机构特性模型和传感器模型等；②开发高性能的解算算法、任务调度算法和通讯技术，以满足实时可视化的需求；③可视化系统的外部接口要满足所有的外部真实设备的电气特性，此外需要一定的通用性和扩展性；④可视化系统需要具备视景可视化能力，可以直观地显示无人直升机飞行状态，并且可以真实的反应试飞区域的地理环境、天气条件等；⑤简化可视化系统整体结构。

根据上述飞行可视化系统的具体要求，以 FlightGear 飞行模拟器为研究中心，设计基于FlightGear 的飞行可视化系统总体结构。针对 FlightGear 飞行模拟器、可视化设备、飞行控制计算机，研究主要目标如下：

①根据直升机飞行特性，借鉴 FlightGear 的直升机动力学模型建模思想，探索适于实时可视化的无人直升机简化建模技术，提高可视化模型的置信度；②根据项目需求，对FlightGear 的视景系统做出改进；对飞机模型的定制、实际地形的定制以及平显显示格式的定制等；③改进飞行可视化系统，使 FlightGear 飞行模拟器成为可选配的视景可视化接口，实现无人直升机飞行数据可视化；④通过对 FlightGear 输入输出接口的研究，将FlightGear 与可视化设备有机结合，建立串行通讯/网络通讯两种可视化通讯环境，利用FlightGear 的直升机动力学模型和视景系统，构建模拟飞行可视化系统。

直升机的垂直起降、机动飞行特性使其在各领域得以广泛应用。但是，直升机是一个非常复杂的非线性系统，用实物进行研究不但耗费资金，而且又不能确保人生安全。所以，研制直升机飞行模拟可视化平台进行模拟飞行研究具有较好的科研和经济意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种运行稳定性好的模拟飞机的可视化系统的设计方法。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本发明的一种模拟飞机的可视化系统的设计方法，包括如下步骤：

（1）采用两台PC机实现，一台PC机运行Matlab/Simulink软件，另外一台PC机上运行FlightGear飞行模拟器和客户端软件；

（2）其中，第一台PC机的Matlab/Simulink软件中运行着直升机的动力学模型和飞行控制器模型，通过实时运算，解算出大量的姿态数据；Matlab/Simulink解算核心将直升机动力学模型解算出的六自由度姿态信息依据UDP协议打包，通过客户端实时发送给第二台电脑的FlightGear视景软件予以显示；

（3）同时，第二台PC上运行的客户端软件可以经由RS232协议控制模块传输更改后的控制参数给Matlab/Simulink的控制器模块，进而作用于直升机的动力学模型，两台PC机相互配合，共同构成整个可视化回路，得到模拟飞机的可视化系统。

进一步地，在步骤（1）中，通过串口协议，从Matlab/Simulink解算核心读取姿态数据并转发给客户端软件；为了分析数据的方便，客户端软件要分析筛选出其中正确的信息并分别显示其相对应的波形；根据软件客户端系统功能的要求，要通过serialPort类中的事件接收方法实现数据读取，通过调用波形显示控件来实现数据波形的描绘。

进一步地，在步骤（1）中，客户端软件从RS232端口接收PC1电脑解算出的姿态数据，通过调用FlightGear软件API接口驱动视景可视化引擎的运行；在完成可视化数据的三维可视化显示的同时也兼顾传统的数据波形显示；

托选相应的控件在软件界面上，其中波特率的选择ComoBox控件通过在其Items属性上添加集合2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200实现这几种波特率的选择；对于飞行姿态数据显示框TextBox控件通过把其ScrollBars属性改为Vertial实现数据满屏后的翻滚效果；对于波形显示控件我们添加制作好的波形控件的dll文件实现对其控件的引用；同时，还有放置3个定时器用来对波形显示的不断刷新。

更进一步地，在步骤（1）中，所述的串口打开和关闭：定义botton控件的方法实现串口的打开和关闭，运行客户端时，串口和波特率设置完成后，当点击Open按钮，串口打开此时按钮文字变为Close，再次点击按钮时串口关闭，按钮文字显示为Open。

进一步地，在步骤（2）中，客户端包括四个TextBox控件和三个用户自添加的三个波形显示控件，其中第一个TextBox控件用来显示Simulink发送过来的正确的姿态数据信息/12为数据，其余三个TextBox控件Yaw/12位数据的前两位、Pitch/12位数据的第三四位、Roll/12位数据的第五六位，三个波形控件则相应显示其波形。

进一步地，在步骤（2）中，所述FlightGear视景软件的视景通信模型采用通信双方都认可的UDP通讯协议；通过UDP视景通信模块，可视化平台飞行器/Simulink姿态解算核心产生的大量姿态数据得以实时的传输给FlightGear视景可视化软件，驱动可视化引擎的运行。

更进一步地，在步骤（2）中，视景可视化的实现依赖于第三方三维可视可视化软件FlightGear的应用，所述FlightGear视景可视化软件将FlightGear飞行模拟器作为视景接口，直观地显示直升机的飞行状态。

进一步地，在步骤（2）中，客户端的数据通讯：在PC2机器上运行的客户端软件用于实现控制器参数的手动改变以及可视化过程中相关数据的显示。这些基本功能的实现都依赖于RS232通信协议，通过串口协议，从Matlab/Simulink解算核心读取姿态数据并转发给客户端软件；一方面，客户端软件调用FlightGear飞行模拟软件的API接口，驱动可视化引擎的运行，另一方面，相关数据以文本曲线的形式予以辅助显示。

进一步地，在步骤（3）中，所述Matlab/Simulink的控制器模块包括负责稳定和控制飞行器的姿态和航迹运动的飞控模块和整个可视化系统中最主要的解算部分的飞行动力学模块；飞控模块通过与飞行动力学模块的数据通信，计算并输出相应的舵面控制信息控制飞行器的飞行；同时在本可视化平台中，本模块还可以通过RS232通讯协议从客户端软件接收操作人员手动输入的控制参数信息，并传输给飞行动力学模块，产生对飞行器的相应控制作用；飞行动力学模块为一个六自由度的运动解算方程，输入为飞机3个不同方向所施加的作用力和力矩，输出为飞行高度、坐标信息以及相应的俯仰角，滚转角飞行姿态参数。

有益效果：本发明从程序运行情况看，达到了预期的效果。经过长期大量的测试与验证，运行稳定性好，使用效果良好。

与现有的技术相比，本模拟飞机的可视化系统的设计方法的优点在于：

（1）本发明以非线性六自由度飞行模型、对应的飞行器控制器及操纵控制等理论为基础，结合RS232串口通讯协议、UPD网络通讯协议、OpenGL三维动态显示技术，利用FlightGear开放平台设计Matlab/FlightGear模拟飞行研究可视化平台，构建了一个全功能、全动态、实时的三维可视化系统，突破了以往建模的诸多局限。

（2）客户端软件从RS232端口接收PC1电脑解算出的姿态数据，通过调用FlightGear软件API接口驱动视景可视化引擎的运行；在完成可视化数据的三维可视化显示的同时也兼顾传统的数据波形显示。

附图说明

图1为本发明的总体框图；

图2为本发明的客户端软件主流程图；

图3为本发明的客户端软件外观图；

图4为本发明的串口打开、关闭流程图；

图5为本发明的接收事件流程图；

图6为本发明的波形显示流程图；

图7为本发明的客户端数据通讯框图；

图8为本发明的数据通讯模块框图；

图9为本发明的Simulink控制器可视化图。

具体实施方式

以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的一种模拟飞机的可视化系统的设计方法，包括如下步骤：

（1）采用两台PC机实现，一台PC机运行Matlab/Simulink软件，另外一台PC机上运行FlightGear飞行模拟器和客户端软件；

（2）其中，第一台PC机的Matlab/Simulink软件中运行着直升机的动力学模型和飞行控制器模型，通过实时运算，解算出大量的姿态数据；Matlab/Simulink解算核心将直升机动力学模型解算出的六自由度姿态信息依据UDP协议打包，通过客户端实时发送给第二台电脑的FlightGear视景软件予以显示；

（3）同时，第二台PC上运行的客户端软件可以经由RS232协议控制模块传输更改后的控制参数给Matlab/Simulink的控制器模块，进而作用于直升机的动力学模型，两台PC机相互配合，共同构成整个可视化回路，得到模拟飞机的可视化系统。

在步骤（1）中，通过串口协议，从Matlab/Simulink解算核心读取姿态数据并转发给客户端软件；

为了分析数据的方便，客户端软件要分析筛选出其中正确的信息并分别显示其相对应的波形；因此要具备以下功能：1.串口选择；2.波特率选择；3.串口打开和关闭；4.接收、筛选数据及显示；5.数据量提示以及归零；6.俯仰角、滚转角、偏航角波形显示；7.数据文本记录。

根据软件客户端系统功能的要求，要通过serialPort类中的事件接收方法实现数据读取，通过调用波形显示控件来实现数据波形的描绘。因此，客户端软件系统的主流程设计如图2所示。

软件界面设计：客户端软件从RS232端口接收PC1电脑解算出的姿态数据，通过调用FlightGear软件API接口驱动视景可视化引擎的运行；在完成可视化数据的三维可视化显示的同时也兼顾传统的数据波形显示；

如下图3所示，托选相应的控件在软件界面上，其中波特率的选择ComoBox控件通过在其Items属性上添加集合2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200实现这几种波特率的选择；对于飞行姿态数据显示框TextBox控件通过把其ScrollBars属性改为Vertial实现数据满屏后的翻滚效果；对于波形显示控件我们添加制作好的波形控件的dll文件实现对其控件的引用；同时，还有放置3个定时器用来对波形显示的不断刷新。

所述的串口打开和关闭：定义botton控件的方法实现串口的打开和关闭，运行客户端时，串口和波特率设置完成后，当点击Open按钮，串口打开此时按钮文字变为Close，再次点击按钮时串口关闭，按钮文字显示为Open。流程图如图4所示。

客户端包括四个TextBox控件和三个用户自添加的三个波形显示控件，其中第一个TextBox控件用来显示Simulink发送过来的正确的姿态数据信息/12为数据，其余三个TextBox控件Yaw/12位数据的前两位、Pitch/12位数据的第三四位、Roll/12位数据的第五六位，三个波形控件则相应显示其波形。事件接收程序的流程图如图5所示。

（a）数据的校验

通过对模拟飞行的研究Simulink发送过来的有效数据为12位，其中前四位数据头固定为A5 5A 12 A1，最后两位校验位固定为AA AA，而中间即为我们需要的飞行数据信息。

（b）数据显示

如果接收到有效的信息，我们这里把他们转化成字符串类型再显示到相应TextBox控件。

（c）波形显示

客户端的数据通讯：在PC2机器上运行的客户端软件用于实现控制器参数的手动改变以及可视化过程中相关数据的显示。这些基本功能的实现都依赖于RS232通信协议，通过串口协议，从Matlab/Simulink解算核心读取姿态数据并转发给客户端软件；一方面，客户端软件调用FlightGear飞行模拟软件的API接口，驱动可视化引擎的运行，另一方面，相关数据以文本曲线的形式予以辅助显示。详细框图如图7所示。

这里我们通过添加dll文件得到波形控件，此波形控件已经封装了波形的显示方法，我们只需通过调用控件的方法即可实现相应波形的显示，其中我们需要定义定时器来不断的扫描缓冲区内的数据信息来实现波形绘制和显示，具体流程图如图6所示。

（d）飞行姿态数据的记录

视景数据通讯：所述FlightGear视景软件的视景通信模型采用通信双方都认可的UDP通讯协议；通过UDP视景通信模块，可视化平台飞行器/Simulink姿态解算核心产生的大量姿态数据得以实时的传输给FlightGear视景可视化软件，驱动可视化引擎的运行。软件数据通讯模块框图如图8所示。

FlightGear飞行视景软件的通信模型有着广泛的通用性，包含了飞行器模型飞行时需要的所有参数信息，本方案在进行飞行器的三维可视可视化时只用到部分参数，飞行器可视化的主要参数如表1所示。

表1

三维视景显示：视景可视化的实现依赖于第三方三维可视可视化软件FlightGear的应用，将FlightGear飞行模拟器作为视景接口，直观地显示直升机的飞行状态。视景可视化模块主要完成以下功能：

1)接收通信模块传来的飞行数据。

2)从模型库中导入飞行器模型、场景模型、声音模型，并对飞行器进行姿态和位置调整。

3)驱动飞行器3D模型按照飞行数据在场景中进行模拟飞行。

模型库为可视化系统提供飞行模型，包括飞行器模型、场景模型、建筑物模型、声音模型等，其中飞行器模型最为重要。飞行数据模块中的数据来自Matlab/Simlink构建的动力学模型解算出的据。同时，FlightGear视景可视化软件的实现还依赖于恰当的飞行器3D模型，与对应正确的XML解析文件。首先，使用AC3D三维建模软件建立正确的飞行器三维模型，以特定的命名规则命名相关三维组件，这是三维视景可视化时产生相应动作的关键；然后，依据FlightGear软件体系下XML配置文件的解析方法，设计并编写可视化所需要的XML解析文件；文件包含FlightGear下XML配置平显系统的方法和飞行器参数配置，并根据工程需求做相应编辑修改；最后，将建立好的三维模型与XML文件用于视景的可视化。

在步骤（3）中，所述Matlab/Simulink的控制器模块包括负责稳定和控制飞行器的姿态和航迹运动的飞控模块和整个可视化系统中最主要的解算部分的飞行动力学模块；飞控模块通过与飞行动力学模块的数据通信，计算并输出相应的舵面控制信息控制飞行器的飞行；同时在本可视化平台中，本模块还可以通过RS232通讯协议从客户端软件接收操作人员手动输入的控制参数信息，并传输给飞行动力学模块，产生对飞行器的相应控制作用；飞行动力学模块为一个六自由度的运动解算方程，输入为飞机3个不同方向所施加的作用力和力矩，输出为飞行高度、坐标信息以及相应的俯仰角，滚转角飞行姿态参数。设计最终图谱如下如图9所示。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种模拟飞机的可视化系统的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）采用两台PC机实现，一台PC机运行Matlab/Simulink软件，另外一台PC机上运行FlightGear飞行模拟器和客户端软件；

（2）其中，第一台PC机的Matlab/Simulink软件中运行着直升机的动力学模型和飞行控制器模型，通过实时运算，解算出大量的姿态数据；Matlab/Simulink解算核心将直升机动力学模型解算出的六自由度姿态信息依据UDP协议打包，通过客户端实时发送给第二台电脑的FlightGear视景软件予以显示；

（3）同时，第二台PC上运行的客户端软件可以经由RS232协议控制模块传输更改后的控制参数给Matlab/Simulink的控制器模块，进而作用于直升机的动力学模型，两台PC机相互配合，共同构成整个可视化回路，得到模拟飞机的可视化系统。

2.根据权利要求1所述的模拟飞机的可视化系统的设计方法，其特征在于：在步骤（1）中，通过串口协议，从Matlab/Simulink解算核心读取姿态数据并转发给客户端软件；为了分析数据的方便，客户端软件要分析筛选出其中正确的信息并分别显示其相对应的波形；根据软件客户端系统功能的要求，要通过serialPort类中的事件接收方法实现数据读取，通过调用波形显示控件来实现数据波形的描绘。

3.根据权利要求2所述的模拟飞机的可视化系统的设计方法，其特征在于：在步骤（1）中，客户端软件从RS232端口接收PC1电脑解算出的姿态数据，通过调用FlightGear软件API接口驱动视景可视化引擎的运行；在完成可视化数据的三维可视化显示的同时也兼顾传统的数据波形显示；

托选相应的控件在软件界面上，其中波特率的选择ComoBox控件通过在其Items属性上添加集合2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200实现这几种波特率的选择；对于飞行姿态数据显示框TextBox控件通过把其ScrollBars属性改为Vertial实现数据满屏后的翻滚效果；对于波形显示控件我们添加制作好的波形控件的dll文件实现对其控件的引用；同时，还有放置3个定时器用来对波形显示的不断刷新。

4.根据权利要求3所述的模拟飞机的可视化系统的设计方法，其特征在于：在步骤（1）中，所述的串口打开和关闭：定义botton控件的方法实现串口的打开和关闭，运行客户端时，串口和波特率设置完成后，当点击Open按钮，串口打开此时按钮文字变为Close，再次点击按钮时串口关闭，按钮文字显示为Open。

5.根据权利要求4所述的模拟飞机的可视化系统的设计方法，其特征在于：在步骤（2）中，客户端包括四个TextBox控件和三个用户自添加的三个波形显示控件，其中第一个TextBox控件用来显示Simulink发送过来的正确的姿态数据信息/12为数据，其余三个TextBox控件Yaw/12位数据的前两位、Pitch/12位数据的第三四位、Roll/12位数据的第五六位，三个波形控件则相应显示其波形。

6.根据权利要求5所述的模拟飞机的可视化系统的设计方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述FlightGear视景软件的视景通信模型采用通信双方都认可的UDP通讯协议；通过UDP视景通信模块，可视化平台飞行器/Simulink姿态解算核心产生的大量姿态数据得以实时的传输给FlightGear视景可视化软件，驱动可视化引擎的运行。

7.根据权利要求6所述的模拟飞机的可视化系统的设计方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述FlightGear视景可视化软件将FlightGear飞行模拟器作为视景接口，直观地显示直升机的飞行状态。

8.根据权利要求7所述的模拟飞机的可视化系统的设计方法，其特征在于：在步骤（2）中，客户端的数据通讯：在PC2机器上运行的客户端软件用于实现控制器参数的手动改变以及可视化过程中相关数据的显示；这些基本功能的实现都依赖于RS232通信协议，通过串口协议，从Matlab/Simulink解算核心读取姿态数据并转发给客户端软件；一方面，客户端软件调用FlightGear飞行模拟软件的API接口，驱动可视化引擎的运行，另一方面，相关数据以文本曲线的形式予以辅助显示。

9.根据权利要求8所述的模拟飞机的可视化系统的设计方法，其特征在于：在步骤（3）中，所述Matlab/Simulink的控制器模块包括负责稳定和控制飞行器的姿态和航迹运动的飞控模块和整个可视化系统中最主要的解算部分的飞行动力学模块；飞控模块通过与飞行动力学模块的数据通信，计算并输出相应的舵面控制信息控制飞行器的飞行；同时在本可视化平台中，本模块还可以通过RS232通讯协议从客户端软件接收操作人员手动输入的控制参数信息，并传输给飞行动力学模块，产生对飞行器的相应控制作用；飞行动力学模块为一个六自由度的运动解算方程，输入为飞机3个不同方向所施加的作用力和力矩，输出为飞行高度、坐标信息以及相应的俯仰角，滚转角飞行姿态参数。