轻型飞行模拟器飞行仿真建模研究

论文摘要

飞行模拟器是一种用来模拟飞机空中飞行与地面运行的实时仿真系统。模拟器不仅可以给予学员真实的飞行驾驶感觉,而且较真机飞行更经济更安全,具有重要的军事意义和商业价值。飞行动力学仿真模型是飞行模拟器的核心和灵魂,主要负责运动方程的实时求解、飞机空气动力特性的计算以及飞机各系统的功能和特性的模拟,因此该模型的准确与否会直接关系到飞行模拟器的运行逼真度。本文以轻型飞行模拟器原型系统为背景,在分析现有几种飞行仿真软件的基础上,以B747-100B飞机为例,对飞行系统仿真的总体框架进行了设计,按照软件工程方法进行了模型的架构和数据交互的研究,确定了可行方案;针对各个分系统的工作原理和功能,将仿真模型进行模块化,分别建立了数学模型。对现有的几种运动微分方程求解方法的特点进行了分析,分别采用Adams-预报校正法和四元数法对飞机运动方程和欧拉角进行了求解,从仿真实验结果来看,这两种方法能满足仿真的实时性和准确性要求;对常用的气动导数计算方法从理论计算和仿真计算两个方面进行了比较分析,实验结果亦证明应用三次样条插值法进行气动导数计算,在保证了仿真速度的同时,提高了计算的精度;基于VC++编程环境,建立了飞行系统仿真的计算机模型,进行了模型的仿真实验和实验结果分析,对数学模型的准确性和软件的有效性进行了验证;掌握了Berkeley DB实时数据库的数据结构、访问方式和使用方法,并基于该数据库,结合飞行仿真数据的特点,分别对飞机结构与性能信息库、气动数据库、发动机数据库和控制系统数据库的数据结构、查询方法等关键技术进行了研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.2 课题的研究目的和意义
• 1.2.1 研究目的
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 国内外现状分析
• 1.3.1 国外现状
• 1.3.2 国内现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 飞行系统仿真建模
• 2.1 本文的建模指导思想
• 2.2 关于建模的简化假定说明
• 2.3 建模方法
• 2.4 飞行动力学仿真模型
• 2.5 仿真模型的信息交互
• 2.6 轻型飞行模拟器的系统组成
• 2.7 轻型飞行模拟器的仿真模型
• 2.7.1 飞行动力学模型
• 2.7.2 发动机系统模型
• 2.7.3 操纵系统模型
• 第三章 飞机六自由度运动方程模型
• 3.1 坐标系
• 3.1.1 各坐标系的定义
• 3.1.2 坐标系的选择
• 3.2 运动方程的数学模型
• 3.2.1 动力学方程
• 3.2.2 运动学方程
• 3.3 运动方程的求解方法
• 3.4 飞机姿态角的计算方法
• 3.4.1 欧拉法
• 3.4.2 四元数法
• 3.4.3 四元数法与欧拉法的比较
• 第四章 气动力模型
• 4.1 气动数据的来源与要求
• 4.2 气动数据的预处理方法
• 4.3 气动力和力矩的计算
• 第五章 气动导数的计算方法
• 5.1 几种常用的气动导数计算方法
• 5.1.1 插值法
• 5.1.2 函数拟合法
• 5.1.3 参数辨识法
• 5.2 三次样条插值法
• 5.2.1 样条插值的定义和基本思想
• 5.2.2 三次样条插值函数的构造
• 5.2.3 双三次样条插值法
• 5.3 样条插值法在气动导数计算中的应用
• 5.4 实验结论
• 第六章 飞行动力学仿真模型的集成与验证
• 6.1 计算机仿真模型的模块化
• 6.2 飞机平衡状态的配平
• 6.2.1 现有的几种配平算法
• 6.2.2 B747 飞机的配平算法设计
• 6.2.3 B747 飞机的配平实验
• 6.3 飞行动力学仿真模型的验证
• 6.3.1 模型的客观验证
• 6.3.2 模型的主观验证
• 6.4 飞行动力学仿真模型的实时性
• 第七章 飞行仿真数据库的设计
• 7.1 几种常用的数据库
• 7.2 嵌入式数据库BERKELEY DB 的原理与应用
• 7.2.1 Berkeley DB 实时数据库设计思想
• 7.2.2 Berkeley DB 的技术特性
• 7.2.3 Berkeley DB 的基本概念
• 7.2.4 Berkeley DB 核心数据结构
• 7.2.5 Berkeley DB 数据访问方法
• 7.2.6 Berkeley DB 的使用
• 7.3 飞行仿真数据库的设计与应用
• 7.3.1 数据存取结构的设计
• 7.3.2 仿真数据库设计
• 7.3.3 数据库环境的使用
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录A——气动导数表
• 附录B——8747-1008 飞机参考数据表