半实物仿真在飞行模拟器中的应用

飞控系统半物理仿真教学实验探究作者：唐鹏张文涛刘晓锋来源：《教育教学论坛》2021年第49期[摘要] 目前，飞行控制系统教学实验主要以Matlab/Simulink建模仿真为主，传统手工编码设计控制器软件的设计方法面临教学难度大、调试过程复杂等问题。

基于快速原型技术，引入三轴转台、飞控计算机等硬件设备，设计了半物理仿真教学实验。

教学结果表明，教学实验能够帮助学生理解数学仿真和实际飞行之间如操纵指令的延迟、传感器特性干扰、离散域和连续域之间的差异，了解飞行器的姿态运动及地面实验的方法，有利于提高学生的实践能力和综合解决问题的能力。

[关键词] 飞行控制系统;基于模型;半物理仿真;教学实验[基金项目] 2020年度北京航空航天大学本科生教学改革项目“飞行器适航技术专业课程设计教学实践”[作者简介] 唐鹏（1980—），男，北京人，博士，北京航空航天大学交通科学与工程学院实验师，主要从事飞行控制与试飞研究;张文涛（1995—），男，河南焦作人，北京航空航天大学交通科学与工程学院2019级交通运输工程专业硕士研究生，研究方向为无人机飞行控制系统半物理仿真和地面驗证;刘晓锋（1979—），男，辽宁凌源人，博士，北京航空航天大学交通科学与工程学院副教授（通信作者），主要从事系统建模与控制飞行研究。

[中图分类号] C229.29 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2021）49-0082-04 [收稿日期] 2021-04-20一、引言飞行控制系统的开发遵循设计—实现—验证的V模式，地面设计与试验主要包括以下步骤：动力学建模、控制器设计、数字仿真验证、控制算法/软件实现、半物理仿真验证[1-3]。

在传统的飞控系统设计中，完成飞行控制律设计和数字仿真验证后，需要根据飞控硬件系统开展机载代码编写、测试。

而目前基于模型的飞控系统开发技术方兴未艾，在飞控工程师基于Matlab/Simulink设计平台完成控制律设计后，可以直接生成机载代码，大幅提升飞控系统研发效率。

仿真技术在各行业的应用情况一、概述随着科技的不断进步，仿真技术在各行业中的应用越来越广泛。

仿真技术通过模拟真实场景，可以帮助人们更好地理解和应对各种情境，提高效率和安全性。

下面将介绍仿真技术在几个主要行业中的应用情况。

二、航空航天行业在航空航天行业中，仿真技术被广泛应用于飞行模拟器、航天器设计和空中交通管理等方面。

飞行模拟器通过模拟真实飞行场景，让飞行员在虚拟环境中进行飞行训练，提高他们的飞行技能和应对紧急情况的能力。

航天器设计中，仿真技术可以帮助工程师模拟和分析各种航天器的性能和行为，优化设计方案。

在空中交通管理方面，仿真技术可以模拟和预测航班的流量和航线，提高空中交通的安全性和效率。

三、汽车制造行业在汽车制造行业中，仿真技术可以帮助工程师模拟汽车的制造过程和性能。

通过建立虚拟的汽车制造线，工程师可以在仿真环境中测试不同的生产方案，优化生产效率和质量。

此外，仿真技术还可以模拟车辆在不同道路条件下的行驶情况，评估车辆的性能和安全性，提供指导汽车设计和驾驶行为的改进。

四、医疗行业在医疗行业中，仿真技术可以用于医学培训和手术模拟。

通过建立虚拟的人体模型，医学学生可以进行各种手术的模拟和实践，提高手术技能和决策能力。

此外，仿真技术还可以模拟和预测疾病的发展过程，帮助医生制定更有效的治疗方案。

另外，仿真技术还可以用于虚拟现实治疗，帮助患者恢复运动功能和康复。

五、能源行业在能源行业中，仿真技术被广泛应用于电力系统和油气开采等领域。

在电力系统中，仿真技术可以帮助工程师分析电网的稳定性和可靠性，优化电力调度和供应。

在油气开采中，仿真技术可以模拟油气田的地质结构和储量分布，辅助工程师制定开采方案和评估勘探风险。

六、建筑行业在建筑行业中，仿真技术可以用于建筑设计、施工模拟和安全评估。

通过建立虚拟的建筑模型，工程师可以在仿真环境中测试不同的设计方案，优化建筑结构和能源利用。

在施工模拟中，仿真技术可以模拟建筑施工的过程和资源调度，提高施工效率和安全性。

模拟仿真技术在航空航天中的应用第一节：引言航空航天工程是一门高度专业化的领域，要求精确和高度可靠的设计、制造和运行。

传统的实验方法难以满足这些要求，因为实验成本高昂、时间周期长，并且某些条件无法复制。

模拟仿真技术的出现为航空航天领域带来了新的解决方案，大大提高了研发和生产效率，本文将详细介绍模拟仿真技术在航空航天中的应用。

第二节：模拟仿真技术介绍模拟仿真技术是一种基于计算机的虚拟现实技术，通过建立数学和物理模型，模拟真实系统的运行情况。

它可以在计算机上模拟物理过程、机器功能、系统行为等，以预测和评估事物的性能和行为。

模拟仿真技术可以分为离散事件仿真、连续系统仿真、混合仿真等多种类型，每种类型在航空航天领域具有不同的应用。

第三节：模拟仿真在飞行器设计中的应用在飞行器设计中，模拟仿真技术可以帮助工程师预测飞行器在各种环境条件下的性能。

首先，通过建立复杂的数学模型，可以模拟飞机在飞行过程中的气动力学特性，如升力、阻力和操纵特性等。

其次，可以模拟飞机的推力系统、飞行控制系统、航电系统等，以预测和改善其性能。

最后，还可以通过虚拟试验台，模拟不同的飞行状态和紧急情况，对飞机进行验证和故障诊断。

第四节：模拟仿真在航天器设计中的应用在航天器设计中，模拟仿真技术可以帮助工程师评估和改进航天器在各种任务中的性能。

首先，可以模拟航天器在上升阶段、空中悬停、返回和再进入等过程中的空气动力学特性，以确定航天器的稳定性和操纵性。

其次，可以模拟发动机和燃料系统的工作原理，以评估其燃烧效率和推力性能。

另外，还可以通过虚拟仿真终端，模拟不同的太空环境和任务场景，对航天器的系统和功能进行验证。

第五节：模拟仿真在飞行训练中的应用飞行训练是培养飞行员技能和习惯的重要环节，传统的飞行训练依赖于实际的飞行器和飞行场地，成本高昂且资源有限。

而模拟仿真技术可以提供高度真实的飞行训练环境，使飞行员能够在虚拟的场景中进行飞行操作和紧急情况的处理。

ISSN 1002-4956 CN11-2034/T实验技术与管理Experimental Technology and M a n a g e m e n t第38卷第3期202丨年3月Vol.38 N o.3Mar. 2021D O I:10.16791/j.c n k i.s j g.2021.03.031无人机飞行控制半实物仿真系统设计与实现吕永玺，屈晓波，史静平(西北工业大学自动化学院，陕西省飞行控制与仿真技术重点实验室，陕西西安710072 )摘要：为保证无人机飞行试验的安全性，提升无人机飞控系统设计的可靠性，自主研发了无人机飞行控制半实物仿真系统。

结合准确的无人机6自由度非线性数学模型和x P C实时系统模块模拟生成无人机飞行状态信息，根据地面站控制指令、传感器故障模注人指令解算获得不同飞行模式和飞行状态下的舵面偏转量，实现了实时系统闭环反馈控制，并驱动舵面偏转检验控制系统的响应速度。

该系统不仅能验证飞控系统的逻辑性和实时性，而且借助虚拟现实技术和航迹地图显示，具备在线整定控制律参数的功能。

该系统模块化程度高，相关硬件和软件对无人机平台和飞控计算机通用性广，依据多平台实验和多架次试飞的实验流程实用性强，为无人机飞控系统开发提供了切实可行、高效可靠的途径。

关键词：飞行控制；实时系统；虚拟现实；在线调参；故障注人中图分类号：V249文献标识码：A文章编号：1002-4956(2021)03-0153-05Design and realization of hardware-in-the-loop simulationsystem for UAV flight controlLYU Yongxi,〇U Xiaobo,SHI Jingping(S h a a n x i P r o v i n c e K e y L a b o r a t o r y o f Flight Control a n d S i m u lation T e c h n o l o g y, S c h o o l o f A u t o m a t i o n,N o r t h w e s t e r n Polytechnical University, X i'a n 710072, C h i n a)Abstract: T o e n s u r e the safety o f U A V flight test a n d i m p r o v e the reliability o f U A V flight control s y s t e m design,the U A V flight control h a r d w a r e-i n-t h e-l o o p s i m u l a t i o n s y s t e m is i n d e p e n d e n t l y d e v e l o p e d.T h e flight statei n f o r m a t i o n o f U A V is g e n e r a t e d b y c o m b i n i n g the a c c u r a t e 6-D O F n o n l i n e a r m a t h e m a t i c a l m o d e l o f U A V a n dx P C real-time s y s t e m m o d u l e. A c c o r d i n g to the g r o u n d station control c o m m a n d a n d s e n s o r fault m o d e injectionc o m m a n d, the deflection o f the control surfaces u nde r different flight m o d e s a n d flight states c a n b e obtained. T h ec l o s e d-l o o p f e ed b a c k control o f the real-time s y s t e m is realized, a n d the control surfaces are d r i v e n to test ther e s p o n s e s p e e d o f the control s y s t e m. T h e s y s t e m c a n not o n l y verify the logic a n d real-time p e r f o r m a n c e o f theflight control s y s t e m,b u t also h a s the function o f onli n e t u n i n g control l a w p a r a m e t e r s w i t h the h e l p o f virtualreality t e c h n o l o g y a n d track m a p display. T h e s y s t e m h a s a h i g h d e g r e e o f m o d u l a r i z a t i o n, a n d the related h a r d w a r ea n d s o f t w a r e are w i d e l y u s e d for the U A V p l a t f o r m a n d flight control c o m p u t e r.A c c o r d i n g to the e x p e r i m e n t a lp r o c e s s o f m a n y p l a t f o r m e x p e r i m e n t s a n d flight tests, the s y s t e m is practical, efficient a n d reliable for thed e v e l o p m e n t o f U A V flight control s y s t e m.Key words: flight control; real t i m e s y s t e m; virtual reality; o n line p a r a m e t e r a d j u s t m e n t; fault injection随着信息技术的发展和社会需求的增长，无人机 目标侦查与打击[4_5]等领域。

收稿日期：2018-11-26修回日期：2019-02-28基金项目：国家自然科学基金（11572291）；山西省研究生联合培养基地人才培养基金（20160033）；中北大学第十四届研究生科技立项资助项目（20171404）作者简介：纪录（1993-），男，安徽宿州人，硕士研究生。

研究方向：弹箭飞行仿真。

通信作者：吴国东（1968-），男，山西太原人，教授。

研究方向：弹箭飞行仿真，弹药高效毁伤。

*摘要：随着信息化时代的到来，在先前所建立的弹箭半实物飞行实时仿真系统的基础上，研究了弹箭飞行的实时可视化方案。

因此，在弹箭半实物飞行的Windows+RTX 实时仿真系统下实现与STK 软件的RT3模块的实时数据传输与控制，从而实现弹箭飞行的实时可视化。

结果表明：基于STK 建立的弹箭半实物仿真实时可视化系统，可以在STK 窗口看到弹箭飞行姿态和轨迹的变化，通过对姿态和轨迹进行分析，可以得到该可视化系统满足需要的实时性要求。

关键词：弹箭实时飞行，STK ，可视化，飞行姿态，飞行轨迹中图分类号：TJ765.4文献标识码：ADOI ：10.3969/j.issn.1002-0640.2020.02.034引用格式：纪录，吴国东，王志军，等.基于STK 的弹箭半实物飞行实时可视化仿真［J ］.火力与指挥控制，2020，45（2）：170-174.基于STK 的弹箭半实物飞行实时可视化仿真*纪录1，2，吴国东1*，王志军1，尹建平1，刘亚昆1（1.中北大学机电工程学院，太原030051；2.江苏自动化研究所，江苏连云港222061）Missile-rocket Semi-physical Flight SimulationBased on STK True Time Visualization TechnologyJI Lu 1，2，WU Guo-dong 1*，WANG Zhi-jun 1，YIN Jian-ping 1，LIU Ya-kun 1（1.School of Mechatronics Engineering ，North University of China ，Taiyuan 030051，China ；2.Jiangsu Automation Research Institute ，Lianyungang 222061，China ）Abstract ：With the advent of the information age ，this paper studies the real -time visualizationscheme of missile and rocket flight based on the semi -physical flight real -time simulation system previously established.Designed a real-time data transmission and control with the RT3module of STK software under the Windows+RTX projectile semi-physical flight real-time simulation system to realize the real-time visualization of projectile flight.The results show that the real-time visualization system ofmissile and rocket hardware -in -the -loop simulation based on STK can observe the change of flight attitude and path in STK window.By analyzing the attitude and path ，the visualization system can meet the real-time requirements.Key words ：real time flight of missiles and rockets ，STK ，visualization ，flight attitude ，flight path Citation format ：JI L ，WU G D ，WANG Z J ，et al.Missile-rocket semi-physical flight simulation based on STK true time visualization technology ［J ］.Fire Control &Command Control ，2020，45（2）：170-174.0引言现代科学技术、大型工程项目和高新技术产品，因其技术复杂性、过程一次性和投入风险大等原因，因此，初始阶段采用仿真。

虚拟仿真技术在航空航天领域中的应用案例虚拟仿真技术在航空航天领域中有着广泛的应用，它为航空航天行业提供了许多创新的解决方案和提升效率的工具。

本篇文章将介绍几个应用虚拟仿真技术的实际案例，展示其在航空航天领域中的价值和潜力。

一、飞机制造与维护1. 飞机设计与模拟在飞机的设计和开发阶段，虚拟仿真技术可以帮助工程师们进行各种重要的分析和测试，从而提前发现并解决潜在的问题。

通过建立飞机的数值模型，工程师可以模拟不同的环境条件和操作情景，优化飞机的性能和安全性。

通过逐步改进模型，工程师能够提前验证并优化设计，减少实际试验的次数和成本。

2. 飞机维护与修复虚拟仿真技术也广泛应用于飞机的维护和修复过程中。

工程师可以使用虚拟仿真软件来模拟飞机各个部件的运作情况，检测故障和预测维修需求。

此外，通过虚拟仿真技术，工程师能够进行飞机的数字维护，实现故障的可视化展示和远程协助。

这大大提高了维护工作的效率和准确性。

二、飞行训练与飞行模拟虚拟仿真技术在飞行训练和飞行模拟方面发挥着关键的作用。

通过虚拟仿真设备和软件，飞行员可以在安全环境下进行真实且高度逼真的飞行体验。

1. 飞行员训练虚拟仿真飞行器可以提供各种气象、机械故障和特殊情况的模拟。

飞行员可以在虚拟环境中进行各种飞行和应急情况的模拟，以提高应对各种复杂情况的能力。

虚拟仿真训练还提供了大量的重复练习机会，可以节省飞行时长和燃料成本，并减少潜在风险。

2. 飞行模拟虚拟仿真技术还用于飞行模拟和飞行员的评估。

通过虚拟仿真软件，飞行员可以模拟真实的飞行场景，进行各种复杂飞机操作的练习。

同时，通过虚拟仿真的实时监控和评估，飞行员的能力和进步可以及时评估和反馈，以不断提高飞行安全性。

三、航天探索与任务规划1. 航天任务规划与虚拟仿真虚拟仿真技术在航天领域中还发挥着重要的角色。

在航天任务的规划过程中，虚拟仿真技术可以帮助科学家和工程师们模拟和分析不同的任务执行方案，验证其可行性和效果。

使用FlightGear在MissionPlanner中对APM进行半实物仿真2014/10/10张兆龙一，半实物仿真介绍本次半实物仿真用到的文件都在“HIL_APM”文件夹中。

1.下载FlightGear软件和MissionPlanner软件。

经实践验证FlightGear2.6版本和MissionPlanner1.3.10版本搭配可以进行本次半实物仿真，FlightGear3.0版本和MissionPlanner1.3.10版本搭配不可以进行本次半实物仿真。

2.先安装FlightGear软件，32位操作系统安装在C盘“Program Files”文件夹中，64位操作系统安装在C盘Program Files（x86）文件夹中。

3.再安装MissionPlanner，32位操作系统安装在C盘“Program Files”文件夹中，64位操作系统安装在C盘Program Files（x86）文件夹中。

4.以32位操作系统为例，拷贝”system.fgfsrc”到C:\Program Files\FlightGear\data（64位操作系统拷贝到C:\Program Files(x86)\FlightGear\data）文件夹中，拷贝MA VLink.xml文件到C:\Program Files\FlightGear\data\Protocol文件夹中（64位操作系统拷贝到C:\Program Files(x86)\FlightGear\data\Protocol）。

再拷贝“Rascal”文件夹到C:\Program Files\FlightGear\data\Aircraft文件夹中（64位操作系统拷贝到C:\Program Files(x86)\FlightGear\data\Aircraft）。

5.如果是64位操作系统，还要拷贝C:\Program Files(x86)\FlightGear中的“data”文件夹到C:\Program Files\FlightGear\bin\Win64文件夹中。

仿真技术在航空航天中的应用在如今科技高速发展的时代，仿真技术已经成为了航空航天领域中一个不可或缺的重要组成部分。

由于航空航天领域飞行器的特殊性，使得其在实际飞行前需要进行大量的试飞，而试飞不光费时费力，而且还难以避免一些不可预知的安全隐患，仿真技术的发展在避免飞行风险、提高飞行安全性、减少试飞次数等诸多方面都发挥了非常大的作用。

本文将从仿真技术应用的角度，探讨仿真技术在航空航天领域的各个方面。

1. 组件仿真技术在任何飞行器研制过程中，很多时候都需要表现出航空器中每个部件的各种物理特性、工艺特性、材料力学性能等等。

为了实现这些目标，科学家们利用高精度数学方法来仿真各个部件的物理特性。

这样才可以在设计时选用最适合航空器需要的部件。

这种方法被称为组件仿真技术(SST)，是一个广泛应用于航天和航空领域中的计算仿真技术。

该技术具有准确、稳定、高效、灵活等优点，可以精确预测各种物理效应，提高航空器各个组件的工艺性和质量。

2. 航空器结构仿真技术在飞行器的设计和制造过程中，结构分析也是一个非常重要的步骤，航空器材料的选择、结构的疲劳分析以及应力分析等等都是非常关键的。

因此，科学家们利用结构仿真技术，通过电脑记忆分析出各个结构要求的受力系数，根据这些系数进行仿真，可以在设计初期预测到不安全因素，从而提前发现问题并予以解决。

3. 航线建立仿真技术在飞机起飞和降落的过程中，需要依据地形和天气状况动态地调整航线。

在过去的设计中，一般都需要手绘起止点之间的航线来规划航线。

这样会很费时，还会漏掉某些东西。

而现在的技术发展了，我们可以在电脑上用飞行模拟软件进行随机航线规划。

在多种飞行条件下，依照所要求的结果自动调整航线。

这种方法可以很好地模拟飞机在扰动中所产生的的飞行方式，提前发现各种图像、传感器的效果，增进了飞行员对复杂环境的适应能力，稳定性和灵活性更强。

4. 操纵原理仿真技术航空器的操纵分析是非常关键的一个环节，为了提高飞行器的控制能力和安全性，科学家们通过操纵原理仿真技术，将飞机的各项控制指令及其对飞行器造成影响的力学特性进行仿真。

半物理仿真国外
在近年来，半物理仿真技术在国外得到了广泛应用和快速发展。

半物理仿真是指将物理仿真与模型测试相结合的一种方法，旨在更准确地模拟真实世界中的物理现象。

在国外，半物理仿真技术被广泛应用于多个领域。

其中，汽车工业是一个重要的应用领域。

通过半物理仿真，汽车制造商可以在设计和开发阶段就对车辆的性能进行准确的预测和评估，从而节省时间和成本。

同时，半物理仿真还可以用于优化汽车的安全性能和减少碰撞事故的发生。

此外，在航空航天领域，半物理仿真技术也被广泛应用。

通过将物理仿真与飞行数据相结合，航空工程师可以准确地评估飞机在不同飞行条件下的性能以及对飞行员的操纵要求。

这种半物理仿真可以帮助设计更安全和更高效的飞机。

在医疗领域，半物理仿真也发挥着重要作用。

通过模拟人体组织和器官的行为，医生可以预测手术的结果并制定更精确的治疗方案。

半物理仿真技术还可以用于训练医学生和医生，提高其技术和决策能力。

另外，半物理仿真在建筑和结构设计领域也得到了广泛应用。

通过
模拟建筑物在不同天气条件下的响应，工程师可以评估建筑物的结构安全性和耐久性。

这样可以帮助设计人员更好地优化建筑结构，并减少建筑物的损坏和维护成本。

总之，半物理仿真技术在国外得到了广泛应用，并在多个领域展现了其巨大潜力。

随着技术的不断发展，半物理仿真将继续为各行各业提供更精确、高效和可靠的解决方案。