CN107944201A

CN107944201A - 一种固定翼飞行器的快速建模方法

Info

Publication number: CN107944201A
Application number: CN201810008549.3A
Authority: CN
Inventors: 刘虎; 刘世达
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2018-01-04
Filing date: 2018-01-04
Publication date: 2018-04-20
Anticipated expiration: 2038-01-04
Also published as: CN107944201B

Abstract

本发明公开了一种固定翼飞行器的快速建模方法，包括以下步骤：将固定翼飞行器的各类翼面，按其共同特性简化为二维平面形状，构建固定翼飞行器的通用翼面物理模型；根据给定固定翼飞行器的各个翼面的构型参数，调整所述通用翼面物理模型，构建给定固定翼飞行器的各个翼面的平面形状；构建给定固定翼飞行器的整机物理模型；根据给定固定翼飞行器的各翼面的气动参数曲线，计算给定固定翼飞行器的整机物理模型的气动参数；对给定固定翼飞行器的整机物理模型进行气动模拟，获得仿真结果。本发明的建模方法摆脱了对某一特定机型的限制，以机翼的共性特性为基础建立通用化模型，大幅提高了建模速度，缩短了建模迭代周期，进而缩短研发周期。

Description

一种固定翼飞行器的快速建模方法

技术领域

本申请涉及虚拟现实领域，具体但不排他地，涉及一种固定翼飞行器的快速建模方法。

背景技术

传统建模方法通常是针对某一特定型号飞行器进行针对性建模，通用程度低，需要多个模型时需要分别进行建立工作，效率较低。

例如，现有的在Unity3D引擎中对飞行器飞行的模拟方法主要如下：用户键入操作，飞行器直接进行六自由度(三轴平移、三轴算转)飞行，不进行受力计算。这种模拟方法，在有准确的操作-移动映射公式的情况，飞行模拟准确。但是不同的飞行器有不同的映射函数，对于不同型号的飞行器只能重新构建映射函数。这致使在飞行器建模速度上无法得到有效提高。

此外，固定翼飞行器的气动力建模也是在虚拟现实领域中一项重要的环节。当前对于固定翼飞行器的气动力建模方法，主要采用计算流体力学(Computational FluidDynamics，CFD)方法，该方法将飞行器所在的立体空间划分为数个小立体区块，小区块包含机身及空气，对整个立体空间进行条件设置并对各个小区块进行计算，从而获取整机受力。可见，这种气动力建模方法具有一定复杂性，在一定程度上也制约了飞行器的建模速度。

发明内容

为了至少部分的解决上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种固定翼飞行器的快速建模方法，包括以下步骤：

步骤一：将固定翼飞行器的各类翼面，按其共同特性简化为二维平面形状，构建固定翼飞行器的通用翼面物理模型；

步骤二：根据给定固定翼飞行器的各个翼面的构型参数，调整步骤一中所建的通用翼面物理模型，构建给定固定翼飞行器的各个翼面的平面形状；

步骤三：构建给定固定翼飞行器的整机物理模型；

步骤四：根据给定固定翼飞行器的各翼面的气动参数曲线，计算给定固定翼飞行器的整机物理模型的气动参数；

步骤五：基于步骤四中计算的气动参数，对给定固定翼飞行器的整机物理模型进行气动模拟，获得仿真结果，若仿真结果不符合预期要求，则返回步骤二，否则进行步骤六；

步骤六：保存仿真结果，用于后期使用。

优选地，步骤一中，可根据固定翼飞行器的各类翼面的跟梢距离、翼根弦长、翼尖弦长、前缘后掠角四个构型参数或其数学变形，将其简化为二维平面形状，以此构建固定翼飞行器的通用翼面物理模型。

优选地，步骤二中，给定固定翼飞行器的各个翼面的构型参数可通过以下步骤获得：获取给定固定翼飞行器的外形参数，进行可视化建模；通过平面投影将可视化模型的三维构型转换为二维构型；获取各个翼面的构型参数。

优选地，步骤三中，构建给定固定翼飞行器的整机物理模型可以具体为：根据给定固定翼飞行器的翼面布局方式，将步骤二中简化为平面形状的各个翼面布置到给定固定翼飞行器的相应位置，构建给定固定翼飞行器的整机物理模型。

优选地，步骤四中，所述气动参数曲线可以包括升力系数曲线、阻力系数曲线和力矩系数曲线。

优选地，步骤四中，计算给定固定翼飞行器的整机物理模型的气动参数可以具体为：沿气流方向，将给定固定翼飞行器的各翼型划分为多个翼段，利用PhysX引擎计算给定固定翼飞行器的整机物理模型的气动参数。在一些实施方式中，可以将主机翼划分为4-10个翼段，其它翼面划分为3-4个翼段。

优选地，步骤五中，可以利用unity 3D和PhysX引擎对给定固定翼飞行器的整机物理模型进行气动模拟。

本发明的有益效果：

本发明以游戏引擎(Unity3D)和物理引擎(PhysX)为依托，以飞行器外形为建模基础，对飞行器受力进行通用快速的建模方法，从而实现实时演算气动力，最终实现虚拟现实环境中的气动模拟。这种建模方法摆脱了对某一特定机型的限制，以机翼的共性特性为基础建立通用化模型。当需要新建不同机型的模型时，不需要各个机型进行重新建模，只需要通过分析特定机型的结构和气动特点，就能够通过快速调整参数，拟合该机型的气动力特性，大幅提高建模速度，缩短建模迭代周期，进而缩短研发周期。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是现有技术中的飞行器建模方法的流程示意图。

图2是本发明的固定翼飞行器的快速建模方法的流程示意图。

图3是本发明的通用翼面物理模型。

图4是某机型的可视化建模后生成的三维图。

图5是图4的某机型的三维图的投影示意图。

图6是图4的某机型的各个翼面的平面形状示意图。

图7是图4的某机型的整机物理模型。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。在以下的说明中，以固定翼飞机作为固定翼飞行器的实例。

本发明提出了一种固定翼飞机的快速建模方法，包括以下步骤：

步骤一：将固定翼飞机的各类翼面，按其共同特性简化为二维平面形状，构建飞机的通用翼面物理模型；

步骤二：根据飞机的各个翼面的构型参数，调整步骤一中所建的通用翼面物理模型，构建各个翼面的平面形状；

步骤三：构建飞机的整机物理模型；

步骤四：根据各翼面的气动参数曲线，计算整机物理模型的气动参数；

步骤五：基于步骤四中计算的气动参数，对整机物理模型进行气动模拟，获得仿真结果，若仿真结果不符合预期要求，则返回步骤二，否则进行步骤六；

步骤六：保存仿真结果，用于后期使用。

上述方法中，本发明构建了一种通用翼面模型，避免了每个机型都需要重新设计的繁琐流程。如图2所示，设计者在通用翼面模型上输入自己的设计数据，快速调整参数，获得该机型的各翼面模型，并由各翼面模型拼凑整机。之后，电子计算机将对整机物理模型进行计算，并提供相应情况下的动力学仿真结果。由此，设计者可以获得直观的设计结果，并判断该设计结构是否达到预期，最后保存设计方案，并且最终可以利用虚拟仿真模型进行训练与演习。

具体方法为：

1)首先根据常规固定翼飞机的各类翼面的跟梢距离L₁、翼根弦长L₂、翼尖弦长L₃、前缘后掠角θ四个构型参数，将其简化为二维平面形状，以此构建通用翼面物理模型，如图3所示。飞机翼面的平面性质也可以通过其它定义方式构建，包括展长、跟梢比、展弦比、机翼面积、四分之一弦线后掠角、前掠角等数据交叉获得，但本质上仍为本发明采用的跟梢距离L₁、翼根弦长L₂、翼尖弦长L₃、前缘后掠角θ四个构型参数的数学变形。

2)获取已知飞机的外形参数，或设计新型号飞机，进行可视化建模，获得该型飞机的三维构型，如图4所示。特别地，可以利用unity3D引擎对飞机进行可视化建模。Unity3D是当前应用最广泛的游戏引擎之一，Unity3D内置的物理引擎，以及逼真的视觉效果，使其在虚拟仿真等领域同样有着出色的应用。开发者可以使用Unity3D对不同的物理建模进行快速简单的修改，并实时获得演算结果，大大提高流程推进速度。

3)通过平面投影将可视化模型的三维构型转换为二维构型，获取各个翼面的构型参数。在本实施例中，所给定飞机为传统构型，仅有主机翼、水平尾翼、垂直尾翼。然而，应当理解的是，给定飞机也可以为三翼面布局、鸭翼布局、飞翼布局等。本实施例中的给定机型的主机翼和水平尾翼同为水平，垂直尾翼为垂直，故只进行水平和垂直两个方向的投影，如图5所示，灰色区块代表舵面，L₁₁，第一个数字代表1号翼，第二个数字代表翼面的构型参数。例如，L₁₁为1号翼根梢距离，L₁₂为1号翼翼根弦长，L₁₃为1号翼翼梢弦长，θ₁为1号翼前缘后掠角。其他标号同理。

4)将步骤1)生成的通用翼面模型，调整平面参数，以匹配给定飞机的机翼形状，构建各个翼面的平面形状，如图7所示。

5)根据给定飞机的翼面布局方式，将4)中所构建的各个二维翼面布置到相应位置，构建整机物理模型。

6)为各个二维翼面选取气动曲线，包括升力系数曲线、阻力系数曲线和力矩系数曲线，这三种曲线可以由翼型参数通过查找直接获得。本例中，主机翼翼型选取NACA四位数翼型NACA2415，据此翼型查找NACA数据库，即可获得升力系数、阻力系数、力矩系数曲线，由此获得了传统飞行力学中，计算飞机气动力的全部参数。

7)沿气流方向，将给定飞机的各翼型划分为多个翼段(例如，主机翼可取4～10块翼段(本例中划分为4块)，其他翼面可划分3～4块翼段)，利用PhysX引擎计算整机物理模型的气动参数。

PhysX是一款较为知名的物理模拟软件，它通过CPU或独立的浮点处理器进行运算，模拟真实的物理效果，从而在虚拟仿真中另虚拟物体的运动与真实世界物理规律相符，增加虚拟仿真模拟的真实度。通过PhysX和Unity3D两种引擎，即可满足虚拟现实放着呢中对物理和可视化的要求。利用虚拟现实技术，机组人员能够通过佩戴虚拟现实眼镜、模拟控制摇杆等在室内通过电脑进行全面、真实的任务模拟。对将来的机组训练与演习有着十分积极的作用。

8)利用unity 3D和PhysX引擎对整机物理模型进行气动模拟，获得仿真结果。若仿真结果不符合预期要求，则返回2)，否则进行8)

9)保存仿真结果，用于后期使用。

通过以上方法，能够构建各类飞机，简单的参数调整后即可满足计算要求。不需要对各个机型重新建模，缩短了建模迭代周期和研发周期。

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims

1.一种固定翼飞行器的快速建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤三：构建给定固定翼飞行器的整机物理模型；

步骤六：保存仿真结果，用于后期使用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，根据固定翼飞行器的各类翼面的跟梢距离、翼根弦长、翼尖弦长、前缘后掠角四个构型参数或其数学变形，将其简化为二维平面形状，以此构建固定翼飞行器的通用翼面物理模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，给定固定翼飞行器的各个翼面的构型参数通过以下步骤获得：获取给定固定翼飞行器的外形参数，进行可视化建模；通过平面投影将可视化模型的三维构型转换为二维构型；获取各个翼面的构型参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，构建给定固定翼飞行器的整机物理模型具体为：根据给定固定翼飞行器的翼面布局方式，将步骤二中简化为平面形状的各个翼面布置到给定固定翼飞行器的相应位置，构建给定固定翼飞行器的整机物理模型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中，所述气动参数曲线包括升力系数曲线、阻力系数曲线和力矩系数曲线。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中，计算给定固定翼飞行器的整机物理模型的气动参数具体为：沿气流方向，将给定固定翼飞行器的各翼型划分为多个翼段，利用PhysX引擎计算给定固定翼飞行器的整机物理模型的气动参数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将主机翼划分为4-10个翼段，其它翼面划分为3-4个翼段。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五中，利用un ity 3D和PhysX引擎对给定固定翼飞行器的整机物理模型进行气动模拟。