RTDynamics

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  一、飞行动力学平台综述
  RTDynamics是Real-Time Dynamics公司的简称,成立于2004年,总部位于德国。公司主要专注于飞机的实时动力学模型的开发,产品被广泛应用于飞行器实时仿真、飞行训练模拟器和战术训练模拟器。
  RTDynamics公司开发的同名、实时交互式飞行动力学软件,主要用于模拟高保真的、简单易用的飞行模拟器。该软件主要包括固定翼飞机静态链接库和旋转翼飞行动力学库(图1和图2)。
  1.固定翼飞机数据库
  FDM(flight dynamics model)是为飞行训练装备和模拟器开发的一种实时的基于C++的飞机飞行动力学软件模型。它包括各种可重构的总成模型,如机翼、机身、发动机、地面、飞行仪器、起落架及增稳系统模型。飞行状态有滑行、着陆、起飞和爬升等正常状态及有风状态的实时模拟。FDM可以在宽泛的刷新频率下运行,为了获取稳定的模拟状态,一般可达到最高100H z的刷新频率。为了获得更好的保真效果,使用较高性能的计算机可以达到1000H z的刷新频率。如果可以的话,FDM还能在实时计算机系统上运行。地面模型可借助W G S84获得完整的地形应用在固定翼数据库上。
  2.旋转翼飞机数据库
  这个库包含了完整的直升机飞行动力学模型,并且允许用户和开发人员根据需要重新配置飞行动力学模型,来仿真不同形式的直升机。RTDynamics公司开发了这一实时交互式、简单易用的飞行动力学软件,主要用来进行飞行训练和工程仿真。
  旋转翼飞行动力学模型FDM(flight dynamics model)是一种实时直升机飞行动力学模型,用来进行飞行设备的培训和模拟器的开发。
  二、飞行动力学模型(FDM)
  1.固定翼飞机FDM
  FDM的架构组成基于许多数学模型集合而成,如机翼、机身、发动机和着陆系统数学模型等。并且具有方便拓展功能的接口,如可方便地集成已有的增稳系统控制总成等。
  FDM支持基于飞行控制系统架构的构成,在这种架构下,不同的总成通过彼此串联起来,一个总成的输出就是另一个总成的输入。通过调整开/闭(当总成没有激活时,仅仅传递数值而不对数值进行变化)和改变配置参数,开发人员可进行不同增稳系统和自动驾驶模式的运行。默认情况下,转动阻尼器和自动配平控制器供用户使用。飞行动力学模型的配置参数定义为XML文件,通过调整配置文件用户可模拟指定飞机类型的状态。
  固定翼FDM通过修改XML参数可用来模拟大型商用班机以及小型或者灵敏的喷气式战斗机,如图3。如果现有的数学模型不足以模拟飞机模型,用户可添加新的或者换掉已有的数学模型。如用户可开发一种全新的发动机模型,并替换掉默认的发动机模型。
  配置文件部分内容节选如下:
  
    Iyy=”394068.00”
  Izz=”5456747.0”/>
  
  
  -180.0 0.4
  -175.0 0.681
  -170.0 0.881
  -
  2.旋转翼飞机FDM
  旋转翼FDM具有完整的组成架构,里面有许多数学模型彼此相互作用。如转子动量理论模型、机身模型、稳定器模型、基于起落架的刚体动力学模型、控制系统模型(如稳定升推系统)、仪表模型和陆地模型等,如图4。
  旋转翼FDM转子模型使用了动量理论和简化的叶片单元理论的综合方法,模型不仅生成力和力矩还包括相关的诱导速度和风轮尾流等信息,可用在其他模型上,如机身模型来模拟干扰效果,转子模型还考虑了风和地面的效应。
  机身和稳定器模型可以使用风洞实验数据。这两种模型可以和主翼及尾翼或者其他模型综合仿真干扰效果。因为旋转翼的存在,在仿真过程中必须考虑风的影响。
  旋转翼FDM具有默认的发动机模型,用来模拟带有调速器的通用发动机。这就是说,为了保持恒定的转速,发动机的油门需要根据变动的载荷自动调节。当然,大部分现代直升机都装配了调速系统,另外,程序也留有相关接口,用户可以使用不同的发动机,比如油门由飞行员控制。
  旋转翼FDM有一套飞行控制架构,这一结构允许各种不同总成在同一级中彼此关联,这样,一个总成的输出是另一个总成的输入。通过开/关(当某个总成没有激活时,其只进行输入量的传递而不进行任何改变,再传往其他总成)控制及配置文件修改,开发人员可进行不同升稳系统及自动驾驶模式的开发。默认情况下,还提供转动阻尼器和自动俯仰角控制器。
  旋转翼FDM飞行动力学模型目前已经过UH-60和CH-53飞行数据的测试与验证(图5)。不同种类直升机的建模可以通过修改X M L格式的参数化配置文件来实现,这样不需要C++编程知识也能完成用户化的直升机建模工作。对于用户想创建自定义直升机模型来说,通过查看Data\RotorLibFDM文件夹下的Example-GenHeli500-DesktopSim文件是一个重要的起点。
  下面是部分内容节选:
  
    Iyy=”6316”
  Izz=”49888”/>
  
    CoPY=”0.1397”   CoPZ=”0.0635”>
  
  
  -
  旋转翼FDM包含一个快速稳定求解器,可以找到盘旋、前进和其他飞行状况的平衡状态。
  三、主要特点描述
  1.逼真的地面作用及视景环境
  对于固定翼飞机,高保真的起落架模拟对于飞机的滑行、起飞和着陆的准确仿真很重要。FDM可以进行高精度的转向和非转向起落架的模拟(图6),转向、制动和悬架都有相关数学模型。
  FDM中的起落架模型是可配置的,用户可方便地修改弹簧、阻尼器和摩擦系数来模拟各种类型的起落架。
  对于旋转翼飞机,旋转翼FDM在模拟直升机轮子和滑行时具有很高的精度,可以模拟斜坡上的着陆及空中动态翻转状态,如图7和图8中具有强大地形功能的旋转翼飞机FDM模型。
  结合海洋操纵模块,旋转翼FDM还可以进行运动面上的着陆情形模拟,比如降落到船舶的甲板上,如图9。
  旋转翼FDM中的滑行和轮子模型同样可以重新配置参数,弹簧、阻尼器和摩擦系数可用来模拟各种不同类型的起落架。
  2.状态保存与加载
  FDM可以在仿真过程的任意时间存储和加载当前飞行器状态,开发人员可以获取任意时间点上的物理和控制系统数据,以二进制或者人员可读的文本格式呈现。
  此功能可实现:
  ◎保存为文件,加载文件;
  ◎网络传送;
  ◎共享内存传送;
  ◎编辑器中查看(目前仅支持文本格式)。
  该功能可用于以下几种情形:
  ◎保存和加载仿真方案;
  ◎对比飞行器不同配置参数的行为;
  ◎模型开发及调试。
  FDM可记录所有仿真数据,以便仿真重现及数据可视化。所有仿真变量,从飞机的位置到起落架悬架压缩量都可以实时保存。
  3.扩展和集成性
  通常飞行动力学软件只是一个更大仿真框架下的一小部分,整个仿真框架还包括驾驶员输入设备、仪表、运动平台和视景生成软件,然后通过飞行动力学模块的接口进行数据交互。
  FDM接口包括很少的函数,因此,对于基本的数据集成,在几个小时内就可以完成。接口函数的类和函数的数目很少,这就使得集成可以很简便地完成。未来,FDM可非常方便地用在Vega或OSG中。在FDM提供的实例中可以看到已将其集成到了3D环境中(图10)。
  对于旋转翼FDM与MAK VR-Force,如果您正在使用或者计划使用MAK的VR-Force,可以使用旋转翼VR-Force插件,这样就可方便地将旋转翼FDM直升机模型添加到VR-Force仿真方案中。
  4.FDM在航空工程上的应用
  FDM允许设计师从测试飞行动力学模型开始工作,如果正设计控制或增稳系统,就可以在控制系统设计中直接使用FDM。FDM也可以用在Matlab中,作为工具箱及一个Simulink功能块(图11)。FDM的Matlab功能支持Matlab/Simulink的线性化功能,使用标准的Matlab函数可以在其俯仰点处计算出稳定俯仰点和线性化模型。
  5.FDM在航空电子和数字设备开发上的应用
  航空电子制造商使用F D M可获得相关数据来测试他们的仪器。用飞机模型可进行航空电子设备的测试,这一点很重要。因为通常飞行员在设备开发时不能在现场,并且大部分飞行是由软件和航空电子硬件专家完成的。当然,飞行数据必须尽量准确。
  FDM提供控制系统总成,用来提升飞行操纵性和简化驾驶难度。这些总成有助于降低驾驶员的劳动强度,并且不会降低保真水平。
  从输入设备方面来说,市场上有很多用于飞行模拟的驾驶员输入设备。大部分都包括踏板、操纵杆和油门,并且能方便通过USB连接到PC机上。FDM可与市场上绝大多数的直连设备集成,它提供了方便的C++类的支持,程序员可获得控制设备的数据回馈到仿真中。
  6.数字虚拟屏幕的开发
  FDM有两种可用的图像生成程序。第一种是Simple3D,一种卡通漫画式的、方便易用的可视化类库,可以用来测试FDM。另一种是GTB,一种完备的飞行模拟器图像生成器,可在项目中使用。它提供了高质量的三维模型数据库,如空客A310、F16以及详细地形模型,并且GTB可用Python脚本语言程序化。
  FDM包含如下仪器的模型:航速表;高度计;升降速度表;姿态仪;转向器。大部分模型可以模拟测量误差,如单向风引起的航速计模拟误差(如图12)。
  7.虚拟视景实现
  FDM有两种图像生成程序可供用户使用。
  ◎Simple3D:一种动画式方便易用的可视化库,可以结合旋转翼FDM进行测试适用。
  ◎GTB:一种完备的飞行模拟器图像生成器,用户可以根据自己的项目需要修改和使用。其提供了高质量的U H-60模型以及一套详细的地形数据库。还有,GTB可以用Python脚本进行编程,实现用户自定义功能。
  (1)确定状态模拟。
  FDM完全基于刚体动力学和空气动力学的原理,因此其具有100%的确定性,意思就是说,如果两个仿真中的初始条件和输入参数相同,那么两个仿真结果将完全一致。仿真中按照单点数据类型给出确定的仿真结果(位移、速度和加速度等)。
  这一特性在训练模拟器的重复训练方案中非常有用。工程模拟器也利用了这一点,因为他们要求每次的测试结果可以进行比较。
  (2)支持非实时仿真。
  虽然大部分仿真需要进行实时模拟,但某些情况下需要进行非实时模拟仿真。旋转翼FDM支持如下特征:低于实时速度的仿真;超实时仿真;仿真暂停/重新开始。   四、产品特性总结
  1.计算机生成兵力库——CGF(Computer Generate Force)
  ◎主要用于无人直升机的实时动力学模型;
  ◎飞行状态的保存和加载;
  ◎确定状态模拟;
  ◎无人机高级飞行特技命令;
  ◎无人机低级飞行特技命令;
  ◎地形轮廓跟踪能力;
  ◎模型和控制系统采用可修改二进制格式保存(XML);
  ◎用户自定义飞行动作;
  ◎开放灵活的C++ API。
  2.飞行动力学模型库——FDM(FlightDynamics Model)
  ◎主要用于飞行设备训练、模拟器开发以及工程仿真;
  ◎高度逼真的直升机仿真模型;
  ◎模型和控制系统采用可修改二进制格式保存(XML);
  ◎高度真实的起落架模型(刚度阻尼、转向、制动);
  ◎飞行状态的保存和加载;
  ◎确定状态模拟;
  ◎基于动量理论的主、副旋转翼模型;
  ◎不同组件之间的气动干扰模拟;
  ◎开放灵活的C++ API。
  3.RotorLibFDM for Matlab/Simulink
  旋转翼FDM具有完整的组成架构,里面有许多数学模型彼此相互作用。
  ◎转子动量理论模型;
  ◎机身模型;
  ◎稳定器模型;
  ◎基于起落架的刚体动力学模型;
  ◎控制系统模型(如稳定升推系统);
  ◎仪表模型;
  ◎陆地模型。
  4.RotorLib for VR-Force
  在VR-Force环境能够实现:
  ◎兼容RotorLib CGF;
  ◎兼容RotorLib FDM;
  ◎兼容VR-Force中燃料消耗和损伤模型。
  5.FixedWing CGF for VR-Force
  在VR-Force环境能够实现:
  ◎战略、战术仿真;
  ◎编队、依地形飞行;
  ◎逼真的地面滑行、起飞、着落;
  ◎空战飞行特技动作;
  ◎垂直起降飞机的起飞、着落、盘旋。
  6.Combat Maneuvers Library
  支持近距离空中支援,包含丰富的空战特技动作。
  7.主要模块
  ◎高级飞行动力学模型库(旋转翼直升机和固定翼飞机);
  ◎驾驶员操作动力学模型库;
  ◎两大类的C++A P I程序库,分别是飞行动力学模型
  库——FDM(Flight Dynamics Model)和计算机生成兵力
  库——CGF(Computer Generate Force)。
  五、产品应用范围
  FDM具有广泛的应用范围,因为其在保真度、计算性能和飞行难度方面有很大的灵活性,因此FDM可根据不同的配置内容应用到许多不同的仿真情形中。
  (1)飞行员训练。
  ◎桌面训练器;
  ◎操作程序和训练制度训练器;
  ◎有屏幕的仿真器;
  ◎任务演练;
  ◎部分任务训练;
  ◎整体飞行训练;
  ◎无人机(UAV)操作训练;
  ◎仪表飞行规则(IFR)训练;
  ◎驾驶员座舱熟悉练习。
  (2)工程模拟器。
  ◎飞机系统开发;
  ◎学术研究;
  ◎无人机系统开发。
  (3)娱乐应用。
  ◎娱乐模拟器;
  ◎游戏。
  (4)可以仿真绝大部分通用机型。
  (5)军事应用于攻击机和货物运输机。
  (6)轻型、中型和重型民用机型。
  (7)无人机。
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