面向塔台模拟的飞机起飞行为计算模型

面向塔台模拟的飞机起飞行为计算模型 中 国 民 航 大 学 学 报第 31 卷 第 1 期 Vol.31 No.1 2013 年 2 月 JOURNAL OF CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINA February 2013 面向塔台模拟的飞机起飞行为计算模型 姜高扬，张春凤，王洁宁 (中国民航大学空中交通管理学院，天津 30030)0 摘 要, 飞机起飞行为的逼真模拟是塔台视景仿真中不可忽视的重要问题。 针对当前塔台模拟中飞机起飞行为仿 真存在的不足,建立了基于 FlightGear的较为完整的数据支持环境 ,通过进一步计算获得了飞机起飞过程 ,构成了飞机起飞行为特征库,提出了基于行为特征库的可组构仿真模式,最后建立了面向 中的典型参数 。 视景驱动的运动方程 关键词, ,,, 塔台模拟行为特征可组构运动方程 中图分类号, TP391.9 文献标志码, A 文章编号, 1674,5590,2013,01,0018,40 Tower simulator-oriented aircraft take-off behavior calculation model JIANG Gao-yan,g ZHANG Chun-fen,g WANG Jie-ning ,College ofA ir Traffic Managemen,CAUtC, Tianjin 30030 0,China,, Abstract:Aircraft take - off behavior simulation is an important issue in the tower visual simulation . Due to the shortcoming of aircraft -takoff esimulationin current tower simulato, morer complete data environment wasbuilt based on open source software FlightGeaTher . typical parameters during take off were calculate, d which - constitute the tak-offe behavior feature librar, andy composable simulation was proposed based on this behavior feature library. Finally the equation was established in order to drive the tower visualsimulatio n. , , , Key words:tower simulationbehavior featurcomposabiliteymotionequation 塔台模拟机为管制员培训提供了一个良好的虚加速度恒定且垂直于地面，飞机在平静大气中运动 拟仿真训练环境。由于塔台模拟机中大部分场景是关 则飞机的运动方程如下 于飞机的起飞离场和进场着陆，因此飞机的起降行为 y y 觶 y x= Vcosγ y 仿真在其中扮演了重要的角色，直接决定了视景仿真 y y 觶 y的逼真度和使用者的沉浸感。然而，目前的塔台模拟 h= Vsin γ y yy 对飞机的起飞行为刻画不够细腻，缺乏完整的数据环 y 觶 V =(g/W)[Tco(sα + ε) D Wsin γ]-- y 0y y境和灵活的仿真手段，尚未建立起满足视景驱动需要 y 觶 (1 γ y=(g/WV)[Tsi(nα + ε)+ L - Wcosγ ]0y 的运动方程。因此，本文从塔台视景仿真的角度出发， y y 觶y = -CT W首先分析了现有的数学模型和研究状况，之后建立了 y y y 觶 y基于 FlightGear 的数据支持环境，并在此基础上构建 θ= Q y y y了基于典型参数的飞机起飞行为特征库，最后建立了 觶 yQ = M/Iyy y面向视景驱动的运动方程，为飞机起飞行为的逼真模 上述方程建立在本地水平坐标系、风轴坐标系和拟提供了新的解决。 机体坐标系下，各参数的含义参见文献[1]。 基于现有的飞机运动方程，国内外许多学者对飞 机的运行行为进行了分析和研究。国内主要是从系统 仿真的角度对其进行分析，其中张镭利用Ma tlab 中的 1 现有数学模型 航空工具箱构建仿真中的重力模型、大气模型和 风模型，根据飞机气动结构结合D igital DATCOM软 件 假设地面是局部平坦的，不考虑地球自转，重力 收稿日期, 2012-05-04, 修回日期, 2012-08-10 基金项目, 天津市自然科学基金项目(10JCYBJC0080)0;中国民用航空局科技基金项目(MHRD20091)3 作者简介, 姜高扬(1986—)，男，河南新密人，实习研究员，硕士，研究方向为空管系统仿真. 计算气动参数，从而对飞机起降时的位置和速度进行FlightGear [2]仿真。郭卫刚利用 Matlab/Simulink构建飞机六自由 属性系统 三维可视化引擎飞行动力学模型度的解算方程，并将计算出的飞行姿态、航迹等数据 系统 SimGear Flight Dynamics Model 配置 输入到 FlightGear软件中，驱 动 FlightGear可视化 引 JSBism UIUCsim YAsim sgscreen sgdebug sgmath 文件 ……擎，并对飞行高度、速度和迎角随时间的变化做了进 XML sgxml sgmodel sgsky 模型配置文件 XML [3]一步的分析。唐斌在 Matlab中搭建了无人机 仿真环 境，利用 Stateflow输出离散的制导 规律，模拟飞行任 务管理的功能，利用Simulink 模拟控制 回路的相关功 XML 解析器 [4]能，最终实现对无人机航迹、姿态和高度的仿真分析。 数据约束 Schem a国外主要从数学建模的角度对飞机的起降行为进行 分析，其中文献[5]根据运动学方程建立了飞机在污染 图 1 FlightGear 系统架构及配置文件的解析 跑道上降落时的数学模型，分析了飞机从降落到着陆 Fig.1 FlightGear system architecture and parsing of 滑跑的行为特性。Eduardo N. Zapico为低成本实时的 configuration files [6]飞行模拟器建立了张量六自由度飞行动力学模型。 在 Qt 环境下利用 DOM 方法对 XML 格式的配置文件 W. F. Phillips 和 R.J.Niewoehner对飞机的 俯仰运动约 [7]束标准进行了分析。 进行解析处理，可得到不同机型在不同阶段的具体参 无论是从系统仿真的角度还是从数学建模的角 数。XML 配置文件的解析活动图如图 2 所示。 度分析，都是基于现有的动力学方程，这些方程都需 要完整的动力学参数，否则无法计算飞机的行为。而 在塔台视景仿真中，并非所有的机型都有完整的性能 根元素解析标签名 参数，如何对参数缺失的航空器行为进行逼真的模拟 是目前塔台视景仿真中面临的一个问题。 [else] 起始标签 本文根据可组构仿真建模的思想，提出了基于飞 标签属性] [ 机行为特征库的航空器组合仿真方法，首先在 Flight, 解析元素解析属性Gear 的基础上获取常见机型的必要数据，利用现有的 动力学方程计算出所需的性能参数，构成飞机行为特 [嵌套元素] 结束标签 征库，而对于无法完全获取参数的飞机则在行为特征 [els e] 库中查找特征相近的航空器，以这些航空器的行为来 起始标签] [ 解析数据组合模拟该航空器的起降行为，最后建立满足视景驱 [else] 动需要的运动方程。 图 2 XML 配置文件解析活动图 Fig 2 Activity diagram of XML configuration files parsing 3 基于典型参数的行为特征库 基于 FlightGear 的数据支持环境 2 飞机起飞行为包括松刹车、地面滑跑加速、抬前 轮、离地，这些行为特征可以由一些典型参数表示，如 FlightGear是一款开源的飞行模拟器 ，由广大的 决断速度 V、抬前轮速度 V、离地速度 V、起飞爬升 1RLOF飞行模拟和编程爱好者共同开发和维护，其中包括飞 速度 V以及起飞滑跑距离 TOR和起飞距 离 TOD等 ， 2 行动力学模型和三维可视化引擎。然而在国内外的研 [1] 部分参数的计算如下:究当中，FlightGear往往只作为可视化引擎 ，用于显示 抬前轮速度 飞机飞行姿态，验证控制策略的可行性，忽略了飞行 2W 动力学模型中大量数据的利用价值。本文通过对 (2) V= 1.2 R ρsC姨 LmaxFlightGear中 XML 格式的配置文件进行解析，获取所 起飞滑跑距离需的飞机性能参数，为构建飞机行为特征库搭建数据 2 ρ(sC- μC)V 支持环境。 W D LLOF ln[1 - ]TOR= - 2(T - μW) g ρ(sC- μC) D L FlightGear系统架构及配置文件的解析如 图 1 所示。 - 20 - 中 国 民 航 大 学 学 报2013 年 2 月 起飞距离 4 面向视景驱动的运动方程 2h fTOD= TOR+ V (4) g(n - 1)姨 各参数的含义如表 1 所示。 根据飞机起飞行为特征库及可组构仿真建模的思 表 1 参数的含义 想，可以利用已有的飞机起飞模型来组合仿真参数缺Tab.1 Parameters meanings 失的飞机起飞行为，然而行为特征库是一些关键参数 参数 含义参数 含义 的集合，无法反映飞机起飞过程当中速度与时间的关 C阻力系数 W 重量D 系，因此需进一步建立满足视景驱动需要的运动方程。ρ 标准大气密度 C升力系数L s 机翼面积 飞机在起飞滑跑过程中的受力情况如图 5 所示。 μ 滑跑摩擦系数 C最大升力系数Lma x V离地速度LOF g 重力加速度 T 推力 L V 地速 hh= 35 ftf f R n 过载系数 μR T D 根据 FlightGea所提供的r 数据，结合部分参数的 ，可得到某些机型的完整性能参数，这些参 W 数反映了飞机在起飞过程中的基本行为特征，由此可 图 5 飞机起飞滑跑时的受力分析 构成飞机起飞行为特征库。B757-200 的典型参数在特 Fig.5 Force resolutionduring take-off 征库中的存储情况如图 3 所示。 在垂直方向:L + R - W = 0，因此 R = W - L;在水 dV W 平方向:T - D - μR = m 。将 R = W - L，m = 代dt g 入上式并整理得 g T dV g( - μ)- (D - μL)= W W dt 1 1 22其中:阻力 D = ρsVC，升力 L = ρsVC，代入 DL2 2 上式得 T g 1 dV 图 3 B757-200典型参 数(干跑道) 2 g( μ) ρsV(C μC)= ---D LW W 2 dt Fig.3 Typical parameters of B757-200 in dry runway 假设推力符合以下变化规律 按照同样的原理和方法，可以得到不同机型在不2 T = T- kV 0 同条件下的行为特征，根据可组构仿真建模的思想， 其中:k 为常数。代入上式得 每个机型在特定条件下的行为特征可以作为特征库 中的一个组件，在视景仿真过程当中，可以单独调用 g 1 k dV T2 0 g(- μ)- [ρ(sC - μC)+ g]V =D L W dt W2 W 某一组件，也可以根据仿真对象的典型参数，筛选并 调用特征参数相近的航空器进行组合仿真。可组构仿 为简化方程，设 真的实施过程如图 4 所示。 Tg 1 k 0 B = ρ(sCμC)+ g- A = g(- μ)D L W 2 W W 则方程可简化为 仿真系统特征库 dV 组件 1 2 组件 4 = A - BV dt 组件 6 组件 2 dV 组件 3 dt = 组件 8 2A - BV … … 组件 N 组件 N 两边同时积分 tV 22 dV 图 4 可组构仿真的过程 dt = 乙乙2 tV11 A - BVFig.4 Processof composablesimulation × V 2 ×V+ VLOF t× x = x′ + ×cos γ ×t ×cos θ × A + V B 1 姨姨 2 ×ln t- t= 姨姨 ×2 1 ×A - V B 2 AB 姨姨V 姨× 1 V+ V×LOF t y = y′ + ×cos γ ×t ×sin θ × ×2 × t- t= 2 1 × × V+ V ×LOF t (8) ×z = z′ + ×sin γ ×t AA+ V+ VBB姨姨姨姨 2 1 ×1 2 - ln ln × 姨姨 × ×A - V- VBA B姨姨姨2AB 姨 姨 2 1 ×θ = θ′ × × ×飞机从静止(V= 0)加速到抬前轮速度(V)所需 1 R ×p = p′ + p×t rate × × ××的时间为V= V+ a(t)× t t LOF × A1 + VB姨 姨R (5) t=ln R 2 AB A - VB 姨姨姨 R 5 结语 同理可得飞机从静止加速到离地速度 V所需 LOF 的时间 t以及到达离地 35 ft 所需的时间 t，进而建 LOF 飞机起飞行为研究对塔台视景模拟起着非常重h f 要的作用。本文从数据环境、仿真手段和运动方程三 立飞机在起飞滑跑过程中关键参数与时间的关系。方面进行了分析和研究，建立了基于 FlightGear的 数 设飞机在起飞过程当中的行为可由以下六元组 据支持环境，提出了基于行为特征库的飞机起飞组合 表示{x，y，z，θ，p，γ}，其中:(x，y，z)表示飞机的三维坐 仿真模式，最后建立了面向视景驱动的运动方程，为 标，θ 表示跑道与 x 轴的夹角，p 表示飞机的俯仰姿态， 塔台视景仿真中飞机起飞行为的逼真模拟提供了新 γ 表示爬升梯度。{x，y，z，θ，p}表示飞机的初始状态， 的解决方案。 00000 {x′，y′，z′，θ′，p′}表示飞机在上一阶段的状态。由于飞 机在起飞过程当中速度越来越大，阻力也越来越大， 参考文献:飞机虽然在加速起飞，但加速度在逐渐减小，因此可 [8][1] DAVID G HULL. Fundamen tals of Airplane liFght Mechanics [M]. 。 x)为递减函数设加速度 a(t)= a+ (f x)，其中 (f max Heidelberg:Springer Berlin Heidelberg，2007:185-188. 起飞滑跑阶段(0 ，t ，t )R张 镭，姜洪洲，齐潘国，等. 基于 MATLAB的飞行仿真 [J]. 计算机 [2] ×仿真，2006，23(6):57-61. ×+ VV0 t× x = x+ ×t ×cos θ 0 × 2 × ×郭卫刚，韩 维，王秀霞 基于 Matlab/Flightgear 飞机飞行性能的可 [3] . × × + VV ×0 t ×t ×sin θ y = y+ 视化仿真系统[J]. 实验技术与管理，2010，27(10):110-112. ×0 ×2 × 唐 斌，黄一敏. 基于 Matlab 的无人机全过程飞行仿真[J]. 沈阳航 ×[4] ×(6) ×z = z空工业学院学报，2007，24(1):13-16. 0 × × ×NIHAD E DAIDZIC，JUNA SHRESTHA. Airplane landi ng perfor , ×θ = θ 0[5] × ×mance on co ntaminated runways in adversec onditions[J]. Journal of ×p = p × 0 ×Aircraft，2008，45(6):2131-2144. ××V= V+ a(t)× t t 0 EDUARDON ZAPICO，PEDRO S GIRAUDO. 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