文档介绍：Classified Index: : Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering FLIGHT SIMULATION MODELLING AND SOFTWARE DEVELOPMENT FOR FLIGHT SIMULATOR Candidate : Zhang Lei Supervisor : Prof. Li Hongren Academic Degree Applied for : Doctor of Engineering Speciality : Mechatronics Engineering Affiliation : School of Mechatro nics Engineering Date of Defence : May, 2009 Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology 摘要摘要飞行模拟器能够在地面逼真的再现飞机的飞行特征,是航空业不可或缺的重要设备,而我国在飞行模拟器的开发和研制上远远落后于国外发达国家。在当前国家大力发展大飞机项目的背景下,针对飞行模拟器关键技术进行研究将更加紧要。模拟器是以仿真为主体的,飞行仿真系统作为模拟器的核心,直接决定着对飞机特性的仿真逼真度和飞行模拟器的鉴定等级。在模拟器中,飞行仿真系统根据教练员的设置和驾驶员的操纵实时解算出飞机飞行状态并驱动虚拟现实设备。由于现代飞机一般具有复杂的气动布局和动力学特性,所以对其建模和仿真是非常具有挑战性的。本文着眼于建立高逼真度的飞行动力学模型并开发一套结构清晰、维护方便的飞行仿真软件以实现飞行模拟器的飞行仿真功能。为达到这个目的,首先推导了椭圆型地球模型下的飞行动力学方程以仿真飞行特性。目前商用飞行模拟器中飞行动力学方程建立在平面大地的假设之上, 改用精确的地理模型进行建模可以增加飞行仿真的逼真度,便于与先进的导航设备和全球地形数据库相配合而使飞行仿真更加生动。针对某种机型建立了其空气动力学模型,在建模过程中分析比较了线性插值和三次样条插值的精确度和运算效率并在此基础上确定了其开发方案。仿真结果和飞行实测数据的吻合说明了该方案的可行。其次建立了飞机起落架与地面接触动力学模型以仿真飞机地面操纵特性。针对目前商用飞行模拟器中起落架模型不能适用于非水平跑道、不能模拟跑道不平度激励并且不能仿真刹车及转弯情况下出现的机轮摇摆对动力学的影响的缺点,在起落架模型中改进了碰撞检测模块和压缩量计算方法;使用功率谱密度函数生成虚拟路面产生对起落架轮胎的随机激励,并将此激励附加于垂向压缩量上以计算轮胎垂向力;使用轮胎对地速度计算轮胎受到的侧向力和刹车力。从对起落架吸震特性、转弯特性和刹车特性的仿真结果可以看出该模型可以胜任高逼真度的飞机地面操作性能模拟任务。在建立仿真模型的基础上,分析并设计了飞行仿真模型的配平算法。针对目前商用飞行模拟器采用模式搜索法进行平衡点求取时可能陷入局部最优点而导致配平失败的弊端,提出了精英再优化的混合遗传算法。该算法将模式搜索法与遗传算法相结合,使用模式搜索对遗传算法种群中的精英进行再优化,在 I 哈尔滨工业大学工学博士学位论文不破坏个体多样性的前提下提高了种群的适应度。经实际测试,该算法有利于避免陷入局部最优点、减少了迭代次数并提高了最终结果的精度。接着使用面向对象的软件开发方法在代码上实现了飞行仿真模型和配平算法。针对目前商用飞行模拟器采用面向过程的软件开发方式而造成的难以阅读和难以维护的弊端,确定了以面向对象的思想对飞行仿真软件进行开发。所有的仿真子模型均直接派生于一个相同的父类以具有统一的对外表现形式。子模型类之间相互聚合形成大的仿真子系统并在实例化后构成一个可以被引用的链表。仿真模型类层级式的结构降低了开发和维护难度而且使得软件适合使用于不同的应用环境。最后,将飞行仿真软件与基于 PC 的飞行模拟器结合,并在该模拟器上验证了飞行仿真模型建模的准确性、配平算法的适应性、面向对象软件开发方法的优越性。由于采用了分布式的仿真体系结构,主流 PC 构架的计算机,成熟的商用软件开发工具,所以较国外大公司使用独自标准开发的飞行模拟器有很大成本上的优势,并且非常有利于避免当前我们技术和知识积累薄弱的劣势, 为飞行模拟器的国产化进行了有益的探索。关键词:飞行模拟器;飞行动力学;起落架模型;配平算法;面向对象;实时仿真— II — Abstract Abstract Flight simulator simulates flight realistically on ground. Though it is essenti