基于FlightGear的直升机飞行模拟系统研究

论文摘要

由于直升机具有垂直起降、机动飞行等特性,所以直升机在各领域得以广泛应用,同时,由于直升机理论研究和研制工作需要,对直升机的仿真研究也在蓬勃发展。本文以直升机的空气动力学模型、飞行动力学模型及操纵控制等理论为基础,结合OpenGL三维动态显示技术,利用FlightGear开放平台设计开发了直升机飞行仿真软件系统,构建了一个全功能、全动态、实时的三维仿真系统,突破了以往建模的诸多局限。本文首先介绍了直升机的发展与特点,概述了飞行仿真的有关内容,接着建立了直升机的数学模型,并应用直升机功能部件理论模型,对各功能模块建模,还对仿真算法及解算流程做了分析。其次,对FlightGear作了较为全面的介绍,叙述了FlightGear的历史和特点,对FlightGear的软件组成如OpenGL、Plib、SimGear等功能进行了较为详细的阐述。从一个飞行模拟器的角度,对FlightGear的组织结构和功能,进行了详尽的分析与研究。并重点结合FlightGear的架构,按照飞行模拟器的性能要求对直升机的视景系统进行了设计。最后,用C++语言对直升机动力学模块做了开发,使用该模块作为系统新的动力学引擎,完成与FlightGear的集成。同时利用OpenGL技术,实现了二维仪表盘的绘制和三维直升机模型的重构。FlightGear自身具有强大的管理功能,不仅可对直升机动力学模型进行直观的视觉检验,也可对飞行数据进行记录,为直升机的进一步研究做了数据准备。利用FlightGear开放性平台对直升机飞行模拟系统进行研究,是一种尝试,本文取得了一些成果,从程序运行情况看,达到了预期的效果。但有待对飞行数据进行分析和研究,从而检验模型的实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 直升机概述
• 1.1.1 直升机的发展
• 1.1.2 直升机飞行原理
• 1.1.3 直升机的操作特点
• 1.2 飞行模拟器
• 1.2.1 系统仿真技术简介
• 1.2.2 飞行模拟器的组成
• 1.2.3 视景仿真技术
• 1.2.4 国内外研究概况
• 1.3 本文的主要工作及组织结构
• 1.3.1 主要工作
• 1.3.2 论文组织结构
• 2 直升机动力学建模
• 2.1 主要坐标系
• 2.1.1 地面坐标系
• 2.1.2 机体坐标系
• 2.1.3 速度坐标系
• 2.1.4 各坐标系之间的转换关系
• 2.2 直升机数学模型
• 2.3 功能划分与部件建模
• 2.3.1 大气紊流的模拟
• 2.3.2 主旋翼、尾桨模块
• 2.3.3 起落架模块
• 2.3.4 发动机模块
• 2.3.5 飞行阻力计算
• 2.4 仿真算法选择与计算流程
• 2.4.1 算法选择
• 2.4.2 具体算法及流程
• 2.5 本章小结
• 3 FlightGear飞行模拟器
• 3.1 Flightgear简介
• 3.2 Flightgear软件包介绍
• 3.2.1 OpenGL简介
• 3.2.1.1 OpenGL工作流程
• 3.2.1.2 OpenGL库函数简介
• 3.2.1.3 OpenGL的基本图形功能
• 3.2.2 Plib简介
• 3.2.3 SimGear简介
• 3.3 Flightgear框架结构
• 3.4 Flightgear程序流程
• 3.5 基于XML的配置文件
• 3.5.1 XML简介
• 3.5.2 标准配置文件
• 3.6 本章小结
• 4 基于OpenGL的视景系统设计
• 4.1 视景系统的主要性能要求
• 4.2 地形、机场和云层模型
• 4.3 直升机三维模型
• 4.4 仪表模型
• 4.5 光照技术
• 4.6 本章小结
• 5 程序实现及仿真结果
• 5.1 VC7.1开发环境配置
• 5.2 直升机动力学模块程序实现
• 5.3 XML文件的解析和参数生成
• 5.4 图形模块程序实现
• 5.5 系统整体配置及工作流程
• 5.6 仿真画面
• 5.7 飞行数据
• 5.8 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 论文展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢