CN107679280A - 一种基于X‑Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于X‑Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证方法，基于X‑Plane和Simulink软件，将二者的优势结合，利用X‑Plane软件作为飞行仿真引擎和视景仿真引擎，提供飞行参数和环境参数，并通过开发X‑Plane插件的形式实现各种特定功能，通过X‑Plane的数据共享机制实现不同插件间的数据传递；在Simulink中利用基于模型的设计思想开发平视飞行导引算法模型；通过UDP通信特点实现X‑Plane和Simulink软件的同步性。使用本发明所构建的开发验证环境，飞行仿真和视景仿真部分均是基于成熟的商用软件，使得导引算法设计人员可以将主要精力放在算法开发本身，而无需在数据激励和可视化方面花费太多时间，可大大提高算法开发效率并降低成本。

Description

一种基于X-Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证 方法
技术领域
本发明涉及飞行仿真及飞行导引技术领域，更具体地说，涉及一种用于平视飞行导引算法开发验证的低成本、高逼真度、基于模型设计的仿真验证方法。
背景技术
X-Plane是世界上针对个人计算机的最广泛、最强有力的飞行模拟器，它提供可家用的最接近实际的飞行模型。X-Plane被许多世界领先的国防供应商、空军、飞机制造商甚至是航空局使用，利用X-Plane进行飞行训练、概念设计及飞行试验。欧洲EADT团队所开发的用于X-Plane的x737机模，对B737-800飞机的空气动力特性以及各飞机系统均做了非常逼真的模拟，在三维座舱中可实现各种人机交互操作，外接驾驶杆后可实现基于人在回路操纵的仿真飞行。
Simulink是一种用途广泛的基于模型的仿真工具，可以搭建线性、非线性、连续、离散等各种数学模型，在飞行仿真及算法开发领域得到了广泛应用。设计人员只需利用Simulink提供的各种基本模块，即可快速搭建出相应的模型，用于算法开发、算法仿真，以验证算法的正确性，加快开发进度。
平视飞行导引算法主要用于在飞行员手动操纵飞机期间为其提供引导，充分结合了目视飞行和仪表飞行二者的优势，算法设计与飞机动态飞行过程紧密相关，同时算法的逻辑又与飞机各系统的状态相关，在算法开发及验证期间需要逼真的激励数据进行激励，以调节相关参数，并验证算法性能。
在平视飞行导引算法开发过程中，以商用的X-Plane软件作为激励，可以使算法设计人员专注于算法本身，而无需再耗费巨大精力建立飞行仿真和视景仿真环境；同时，基于模型的建模工具Simulink可以大大减少算法设计人员手写代码的工作，加快算法开发及优化进度，其强大的数据可视化功能更为算法调试带来了巨大益处。
发明内容
为有效快速地进行平视飞行导引算法验证，本发明基于X-Plane与Simulink的诸多优点，利用二者构建了一个飞行仿真验证环境，用于导引算法开发、仿真和验证，可以加快算法开发验证的速度，降低时间成本和经济成本。
本发明的技术方案为：
所述一种基于X-Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据实验场景要求，在X-Plane中选择对应的飞机模型，针对选择的飞机模型，计算目标初始化参数，包括飞机位置、姿态、速度以及初始配平值范围；
步骤2：在X-Plane中注册回调函数，所述回调函数检测当前飞机模型的配平值相对于步骤1中初始配平值范围的关系，若当前飞机模型的配平值处于初始配平值范围内，则不做调整，且在以后的仿真周期中不再调用该回调函数，若当前飞机模型的配平值处于初始配平值范围外，则根据检测结果确定向前或向后转动飞机模型配平轮，并在下一仿真周期中继续调用所述回调函数；
步骤3：当飞机模型的配平值处于初始配平值范围内后，根据步骤1计算的飞机位置、姿态、速度对X-Plane中的对应参数直接赋值；
步骤4：在X-Plane中根据目标初始化参数开始进行飞行仿真；
步骤5：将X-Plane仿真过程中的飞行参数以UDP方式发送至Simulink；
步骤6：Simulink中建立有需要验证的平视飞行导引算法模型；所述平视飞行导引算法模型根据接收到的飞行参数进行计算，并将计算出的结果以UDP方式发送至X-Plane；
步骤7：X-Plane接收平视飞行导引算法计算结果，并根据计算结果驱动平显符号显示，将平显符号与X-Plane外景叠加，飞行员根据显示的平显符号和显示的外景环境在X-Plane中进行飞行仿真及算法分析验证。
进一步的优选方案，所述一种基于X-Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证方法，其特征在于：步骤2中回调函数为FlightloopCallback回调函数。
进一步的优选方案，所述一种基于X-Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证方法，其特征在于：在X-Plane中基于绘图函数设计有平显符号生成插件；所述平显符号生成插件受平视飞行导引算法计算结果驱动，显示对应的平显符号。
进一步的优选方案，所述一种基于X-Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证方法，其特征在于：在X-Plane中设计有通信插件，步骤7中通过通信插件接收Simulink中的平视飞行导引算法计算结果，并将计算结果数据通过数据共享机制提供给平显符号生成插件使用。
有益效果
本发明仿真验证环境基于X-Plane和Simulink软件，将二者的优势结合，利用X-Plane软件作为飞行仿真引擎和视景仿真引擎，提供飞行参数和环境参数，并通过开发X-Plane插件的形式实现各种特定功能，通过X-Plane的数据共享机制实现不同插件间的数据传递；在Simulink中利用基于模型的设计思想开发平视飞行导引算法模型；通过UDP通信特点实现X-Plane和Simulink软件的同步性。
此外，在X-Plane中，飞机模型的位置、速度、姿态的初始化可以基于X-Plane提供的API函数对相应的Dataref直接赋值，但由于形态设置是一个动态变化过程，所以初始配平值无法直接对Dataref赋值，所以本发明采用X-Plane中的回调函数机制设置飞机初始形态，很好的实现动态过程调节。
使用本发明所构建的开发验证环境，飞行仿真和视景仿真部分均是基于成熟的商用软件，使得导引算法设计人员可以将主要精力放在算法开发本身，而无需在数据激励和可视化方面花费太多时间，可大大提高算法开发效率并降低成本。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：本发明实施例提供的基于X-Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证环境实施方案；
图2：本发明实施例提供的X-Plane中飞机初始化方法及流程说明。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例公开了一种基于X-Plane和Simulink软件的平视飞行导引算法验证方法，包括仿真验证环境架构以及飞机初始化方法。具体包括以下步骤：
步骤1：在X-Plane中选择x737机模，计算目标初始化参数，包括飞机位置、姿态、速度以及初始配平值范围。
步骤2：由于初始配平值无法直接对Dataref赋值，需要通过动态过程调节，所以在X-Plane中注册相应的FlightloopCallback回调函数，所述回调函数检测当前飞机模型的配平值相对于步骤1中初始配平值范围的关系，若当前飞机模型的配平值处于初始配平值范围内，则不做调整，且在以后的仿真周期中不再调用该回调函数，若当前飞机模型的配平值处于初始配平值范围外，则根据检测结果确定向前或向后转动飞机模型配平轮，并在下一仿真周期中继续调用所述回调函数。
步骤3：当飞机模型的配平值处于初始配平值范围内后，根据步骤1计算的飞机位置、姿态、速度，利用XPLMSetDataf()函数对相应于飞机位置、姿态、速度的Dataref直接赋值。
步骤4：在X-Plane中根据目标初始化参数开始进行飞行仿真。
步骤5：在X-Plane中开发通信插件，将X-Plane仿真过程中的飞行参数以UDP方式发送至Simulink。
步骤6：Simulink中建立有需要验证的平视飞行导引算法模型；所述平视飞行导引算法模型根据接收到的飞行参数进行计算，并将计算出的结果以UDP方式发送至X-Plane。
步骤7：X-Plane中的通信插件接收平视飞行导引算法计算结果，并将计算结果数据通过数据共享机制提供给平显符号生成插件使用。所述平显符号生成插件是在X-Plane中基于绘图函数设计得到的，所述平显符号生成插件受平视飞行导引算法计算结果驱动，显示对应的平显符号。将平显符号与X-Plane外景叠加，飞行员根据显示的平显符号和显示的外景环境在X-Plane中进行飞行仿真及算法分析验证。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种基于X-Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据实验场景要求，在X-Plane中选择对应的飞机模型，针对选择的飞机模型，计算目标初始化参数，包括飞机位置、姿态、速度以及初始配平值范围；
步骤2：在X-Plane中注册回调函数，所述回调函数检测当前飞机模型的配平值相对于步骤1中初始配平值范围的关系，若当前飞机模型的配平值处于初始配平值范围内，则不做调整，且在以后的仿真周期中不再调用该回调函数，若当前飞机模型的配平值处于初始配平值范围外，则根据检测结果确定向前或向后转动飞机模型配平轮，并在下一仿真周期中继续调用所述回调函数；
步骤3：当飞机模型的配平值处于初始配平值范围内后，根据步骤1计算的飞机位置、姿态、速度对X-Plane中的对应参数直接赋值；
步骤4：在X-Plane中根据目标初始化参数开始进行飞行仿真；
步骤5：将X-Plane仿真过程中的飞行参数以UDP方式发送至Simulink；
步骤6：Simulink中建立有需要验证的平视飞行导引算法模型；所述平视飞行导引算法模型根据接收到的飞行参数进行计算，并将计算出的结果以UDP方式发送至X-Plane；
步骤7：X-Plane接收平视飞行导引算法计算结果，并根据计算结果驱动平显符号显示，将平显符号与X-Plane外景叠加，飞行员根据显示的平显符号和显示的外景环境在X-Plane中进行飞行仿真及算法分析验证。
2.根据权利要求1所述一种基于X-Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证方法，其特征在于：步骤2中回调函数为FlightloopCallback回调函数。
3.根据权利要求1所述一种基于X-Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证方法，其特征在于：在X-Plane中基于绘图函数设计有平显符号生成插件；所述平显符号生成插件受平视飞行导引算法计算结果驱动，显示对应的平显符号。
4.根据权利要求3所述一种基于X-Plane与Simulink的平视飞行导引算法开发验证方法，其特征在于：在X-Plane中设计有通信插件，步骤7中通过通信插件接收Simulink中的平视飞行导引算法计算结果，并将计算结果数据通过数据共享机制提供给平显符号生成插件使用。
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