基于FlightGear的无人直升机飞行仿真技术研究

发布时间：2017-05-15 09:27

  本文关键词：基于FlightGear的无人直升机飞行仿真技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：当前,无人直升机技术日益成为研究热点,其中飞行仿真是飞行控制系统研制的一个重要的验证环节,在无人直升机飞行控制系统开发中有着重要的应用需求。本课题以小型样例无人直升机为研究背景,旨在开发实现一种简洁、有效的无人直升机飞行仿真系统,提高无人直升机飞行控制系统的效率。论文以FlightGear飞行模拟器开源软件为设计基础,研究了适于实时仿真的直升机建模方法,并采用XML文件技术配置直升机参数和HUD平显系统,实现了FlightGear与仿真设备、飞行控制计算机的UDP网络通信、串行通信,构建了满足实际工程需求的无人直升机飞行仿真系统。 论文首先分析了无人直升机及飞行仿真技术的发展现状和研究内容,介绍了国内外利用FlightGear飞行模拟器进行仿真研究的发展历程。其次,通过借鉴FlightGear飞行模拟器的直升机非线性动力学模型,以多体动力学建模方法为指导,研究形成了无人直升机旋翼挥舞运动和旋翼气动力/力矩的简化计算方法以及旋翼下洗流场的诱导速度的简化计算方法。在模型实现过程中,采用精确计算挥舞角、简化计算桨叶微元气动力/力矩、正态分布近似描述旋翼下洗流场等特殊处理技术,迭代求和得到了旋翼的气动力/力矩,构建了无人直升机的一种简化模型。而后,采用XML技术规范了FlightGear下文件的解析流程,对仿真系统中的直升机参数和HUD平显系统等进行了配置,实现了FlightGear与飞行控制计算机、仿真设备的串行通信和UDP网络通信。最后,通过FlightGear程序的编译完成了系统的集成,完成了无人直升机飞行数据可视化回放、“等效飞控”数字仿真、半物理实时仿真等三种不同的FlightGear系统应用,并通过半物理实时仿真系统进行了样例无人直升机的多模态预设航线飞行仿真。 根据本课题相关技术的研究结果以及飞行仿真试验结果,验证了所实现的无人直升机简化模型正确、有效,该飞行仿真系统可以用于验证无人直升机飞控软件、控制律的结构和逻辑合理性与控制策略的正确性,能够为无人直升机飞控系统研制提供飞行验证环境。
【关键词】：无人直升机 FlightGear飞行模拟器 XML 仿真系统 非线性模型
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 图清单9-12
• 表清单12-13
• 注释表13-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 引言14-15
• 1.2 无人直升机飞行仿真技术15-18
• 1.2.1 系统仿真技术15
• 1.2.2 飞行仿真系统构成15-17
• 1.2.3 无人直升机飞行仿真的研究内容17-18
• 1.3 研究背景18-23
• 1.3.1 研究目的18
• 1.3.2 基于 FlightGear 的飞行仿真现状18-21
• 1.3.3 本实验室研究情况21-23
• 1.4 本文的研究工作概要23-24
• 第二章 基于FlightGear 的飞行仿真系统设计方案24-31
• 2.1 引言24
• 2.2 飞行仿真系统需求分析24-25
• 2.3 飞行仿真系统方案25-29
• 2.3.1 可选配的视景接口26-27
• 2.3.2 等效飞控数字仿真27-28
• 2.3.3 半物理实时仿真28-29
• 2.4 飞行仿真系统验证方案29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 无人直升机简化动力学建模方法31-55
• 3.1 引言31
• 3.2 主要坐标系31-32
• 3.2.1 地面坐标系31-32
• 3.2.2 机体坐标系32
• 3.2.3 桨轴坐标系32
• 3.3 直升机多体动力学建模32-35
• 3.3.1 直升机建模技术的研究现状32-34
• 3.3.2 多体动力学建模的流程34
• 3.3.3 多体动力学建模方案34-35
• 3.4 旋翼系统简化建模35-51
• 3.4.1 旋翼挥舞运动的简化计算36-41
• 3.4.2 旋翼下洗流场的简化计算41-51
• 3.5 其它部件建模51-53
• 3.6 实时仿真算法及计算流程53-54
• 3.6.1 四阶龙格-库塔法53-54
• 3.6.2 具体计算流程54
• 3.7 本章小结54-55
• 第四章 基于XML 的系统配置技术55-70
• 4.1 引言55
• 4.2 基于XML 的配置文件55-57
• 4.2.1 XML 语言简介55-56
• 4.2.2 XML 标准配置文件56-57
• 4.3 XML 配置文件的解析57-58
• 4.4 XML 的改进58-61
• 4.4.1 存在的不足与完善需求58-59
• 4.4.2 miniXML 结构及解析流程59-61
• 4.5 系统配置61-69
• 4.5.1 平显配置61-66
• 4.5.2 直升机参数配置66-69
• 4.6 本章小结69-70
• 第五章 基于FlightGear 的通信接口70-79
• 5.1 引言70
• 5.2 输入输出模块70-71
• 5.3 通信方式选择71-72
• 5.4 串行通信的实现72-75
• 5.4.1 通信协议的设计72-74
• 5.4.2 软件实现流程74-75
• 5.5 网络通信的实现75-77
• 5.5.1 UDP 软件实现流程75-77
• 5.5.2 FlightGear 网络设置77
• 5.6 本章小结77-79
• 第六章 基于FlightGear 的飞行仿真系统集成与应用79-95
• 6.1 引言79
• 6.2 系统集成79-82
• 6.2.1 FlightGear 的编译79-81
• 6.2.2 集成仿真环境81-82
• 6.3 系统应用82-86
• 6.3.1 飞行数据可视化回放82-84
• 6.3.2 等效飞控数字仿真84-85
• 6.3.3 典型配置的半物理仿真85-86
• 6.4 飞行仿真试验86-94
• 6.4.1 系统准备86-87
• 6.4.2 仿真验证87-94
• 6.5 本章小结94-95
• 第七章 总结与展望95-97
• 7.1 本文的主要工作95
• 7.2 后续工作展望95-97
• 参考文献97-100
• 致谢100-101
• 在学期间发表的论文101

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 唐勇;胡明华;吴宏刚;黄忠涛;徐自励;何东林;;基于FlightGear的A-SMGCS场面活动三维仿真[J];计算机应用;2012年11期

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 雷立动;小型无人直升机数据链路系统设计与仿真平台研究[D];华南理工大学;2012年

2 赵跃;无人机飞行数据综合管理与分析系统研究[D];南京航空航天大学;2012年

3 薛鹏;无人直升机自动起飞与自动着陆控制技术研究[D];南京航空航天大学;2012年

4 徐志鑫;无人直升机活塞式发动机控制技术研究[D];南京航空航天大学;2012年

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本文编号：367413