基于网络通信的FlightGear和VC混合系统开发方法

摘要

本发明涉及一种多机编队飞行可视化联合仿真系统的开发方法，目的在于提供一种基于网络通信的FlightGear、VC和Matlab(Simulink)的混合的、可视化联合仿真系统开发方法，实现多机编队飞行控制、任务协同分配、空战等一系列算法研究、仿真与虚拟现实演示，为多机编队协同控制所要解决的关键技术研究与实战预演提供有效的验证平台。系统采用开源软件FlightGear实现虚拟现实、场景演示，采用VC开发系统编队管理、数据管理、任务管理与通信软件，采用Simulink运行飞机模型与控制算法，这三大部分都通过基于以太网的UDP通信交换信息，构成完整整体。

说明书

技术领域：本发明涉及了一种多机编队飞行模拟仿真系统的开 发方法，特别是指基于网络通信的FlightGear和VC混合多机编队 可视化联合飞行仿真的开发方法，属于将算法研究、工程验证和可 视化仿真技术相结合的技术领域。

背景技术：目前国内外已经有很多科研机构将FlightGear(模 拟飞行软件)用于飞行仿真研究项目当中。例如英国威尔士大学在 飞控系统仿真中，利用FlightGear引擎实现了可视化环境仿真；飞 行管理和地面设备公司ARINC将FlightGear软件发送NMEA格式的 位置信息部分改为GPS信息，通过ARINC429数据格式发送给飞行管 理计算机来测试其飞行管理计算机；国防科技大学的研究人员利用 FlightGear作为仿真可视化引擎，使用AeroSim模块集建立仿真模 块，将飞行数据传输给局域网中的任意一台运行FlightGear的计算 机，进行飞行模拟动态显示；北京气象研究所使用Matlab/Simulink 仿真工具建立飞行弹道/姿态仿真模块，在此基础上使用FlightGear 作为可视化引擎实现飞行仿真中的天气条件、飞行姿态和地理环境 的三维可视化显示。

FlightGear飞行模拟器的视景显示逼真，能够真实地反映天气、 地理等飞行环境，其内部的动力学模型能够通过XML格式配置文件 获得飞行器的参数，并且可以配置软件的运行环境，进行实时仿真。 本发明充分利用了FlightGear的强大视景显示和XML格式配置文件 实现多机编队的可视化飞行显示。

发明内容：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于网络通 信的FlightGear、VC和Simulink可视化联合仿真的开发方法，实 现多机编队飞行控制、任务协同分配、空战演示等一系列仿真，为 多机编队协同控制所要解决的关键技术提供有效的验证平台。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于网络通信的 FlightGear和VC混合系统开发方法，该方法的实现系统系统采用开 源软件FlightGear实现虚拟现实、场景演示，采用VC开发系统编队 管理、数据管理、任务管理与通信软件，采用Simulink运行飞机模 型与控制算法，这三大部分都通过基于以太网的UDP通信交换信息， 构成完整整体。系统整体主要由编队飞机终端、大场景态势显示、 综合管理终端和FlightGear服务器以及以太网交换机组成。编队飞 机终端同时运行飞机FlightGear、单机控制模块以及飞机Simulink 数字模型。系统采用集中管理和分散协调控制相结合的方式，以综 合管理终端实施集中管理，而以每架编队飞机计算机上单机控制模 块为节点实现协调控制，通过UDP数据和信息交换实现三种异种环 境的互联互通。系统支持任意数量、任意飞机的多机混合编队系统 开发，既支持有人机、无人机，甚至陆地、海上载运器的混合编队 与联合仿真，具体步骤如下：

步骤(1)：在Linux操作系统下建立FlightGear服务器，在 FlightGear软件基础上增加配置模块，建立一系列的XML格式的文档 以此替换某既有飞机外形，屏蔽其自驾仪；

步骤(2)：在VC6.0平台上设计综合管理终端、单机控制模块， 以综合管理终端和单机模块实施集中协调管理；

步骤(3)：在Simulink软件上运行飞机模型与控制算法；

步骤(4)：每架飞机通过一台高性能计算机运行FlightGear模 块、单机控制模块和Simulink的飞机模型三个独立的软件模块；

步骤(5)：在VC6.0平台上设计及通信模块，使用UDP协议通 信，通过调用Socket API函数实现综合管理模块与单机控制模块、 FlightGear模块与单机控制模块的网络通信，通过S函数内嵌的UDP 通信程序实现Simulink飞机模型运行数据与单机控制模块的交互， 并通过综合管理终端将数据分发给每架飞机；

步骤(6)：利用FlightGear以三维虚拟现实、可视化方式呈现 飞机的运行姿态、以及环境、与编队其它飞机的关系，以大场景三 维态势显示，实现多机编队飞行控制、任务协同分配、空战等一系 列算法研究、仿真与虚拟现实演示。

所述FlightGear服务器采用Linux操作系统，模块能够处理大 量数据、满足高处理速度和高可靠性要求，各个控制端通过堆叠式 高速以太网交换机与服务器相连，服务器执行数据存储、转发、发 布关键任务。所述的FlightGear模块是在原有系统基础上，通过增 加配置模块替换某既有飞机外形，屏蔽其自驾仪的方式，实现快捷、 无缝变换，极大地利用开源FlightGear的环境、渲染等优势。配置 模块通过建立一系列的XML格式的文档，为需要的数据项添加相应 的标签，并且与综合管理终端中的协同作战控制指令集相对应，当 程序运行时配置模块根据XML文档将管理信息和控制信息数据写入 FlightGear软件模块内部对应数据变量接口中，同时也会将飞行数 据从FlightGear内部数据传输出来。

系统避开了一般的采用FlightGear进行二次开发的难题，同时 兼顾了飞行器模型一般都采用Simulink研发的现状，又采用最流行 的VC 6.0开发管理与算法软件，实现了工程与算法研究的完美融合 或兼容。

所述的综合管理终端、单机控制模块、UDP协议通信都是在VC6.0 平台上完成设计的。综合管理终端实现编队飞机数量管理、队形管 理、算法管理、数据管理以及通信集中管控；单机控制模块实现本 机算法管理、本机姿态、武器、威胁、航迹、编队、数据显示以及 UDP通信；UDP通信采用SOCKET、数据报方式，实现面向非连接的高 频率数据通信。

将综合管理控制端在VC6.0平台上设计为系统初始化模块、编 队管理模块、编队流程控制模块和显示模块，系统初始化模块主要 完成整个系统的初始化，将上次遗留数据进行清除，保证本次编队 飞行仿真不受上次数据影响；编队管理模块又分为多个设置区块， 包含机场战区设置、飞行环境设置、战斗目标设置、编队飞机设置、 飞机性能设置、飞机武器设置、编队队形设置、编队航迹设置、编 队修改设置和单机故障设置等；编队流程控制模块，主要实现编队 起飞到降落这个过程管理控制，即何时起飞、返航、降落等；显示 模块分为地图显示和数据显示，地图显示是根据飞机的经纬度在二 维地图描绘出整个编队的航迹，数据显示直观的显示各架飞机的位 置、高度、速度、航向等。

所述通信模块完成FlightGear模块与单机控制模块、Simulink 飞机模型以及大场景三维态势显示和综合管理终端的通信，实现数 据交互。综合管理控制端将管理信息经过通信模块传输的服务器， 服务器将管理信息传给飞机控制端，飞机控制端将各自的管理信息 和控制信息通过通信模块传给相对应的FlightGear软件模块，同时 FlightGear软件模块将飞行数据传给飞机控制端和综合管理控制 端，进行解算和显示。

通信采用UDP协议，通过调用Socket API函数实现网络通信， 数据类型包含气象管理、时间管理、编队管理、控制信息、故障和 威胁管理和飞行数据，气象和时间管理实现场景中环境信息的设置 和飞行时间的管理；编队管理包含编队中飞机数量、类型、性能、 武器的管理设置；威胁管理用于设置飞行区间的雷达、防空阵地等 威胁设置；故障管理用于人为故障注入；飞行数据是指FlightGear 飞行模拟器通过输出接口，发送实时数据到各自的控制模块，控制 模块将飞行数据显示在界面上，同时解算为相应的控制信息。管理 信息通过综合管理终端的通信模块传输到各个飞机计算机，然后经 过飞机计算机的单机控制模块对数据解析，获取各自的管理信息， 再传输到FlightGear模块。

编队飞机的模型即可以采用FlightGear已有动力学模型和自驾 仪，也可以采用基于Simulink的动力学与自驾仪模型。

编队某架飞机若是FlightGear已有的飞机，则系统直接采用该 飞机外形、自驾仪。编队某架飞机若是FlightGear没有的飞机，则 系统采用其Simulink模型实现联合仿真，当然也支持Matlab模型， 或其它VC可直接调用的任何类型模型。

所述大场景三维态势显示，通过作为某架编队飞机FlightGear 仿真软件的分屏功能将三维视景显示在大屏幕上，形成大场景视觉 效果。

与现有技术相比较，本发明充分利用了FlightGear的强大视景 显示和XML格式配置文件，并在VC6.0平台上设计了综合管理控制 终端、单机控制模块、UDP通信等，实现多机编队的管理、设置、修 改等一系列的流程控制和飞行编队控制，各部分通过以太网服务器 相连接构成一个大的多机编队飞行仿真系统，并呈现在大视景窗口 中，使观察者直观的感受到整个编队实现任务规划、起飞、巡航、 完成攻击到返航降落模拟与仿真。此外，本发明在控制模块为研究 多机编队控制科研人员提供了算法验证平台，能够使科研人员将更 多的精力花费在飞行控制算法研究上。

本发明创新主要在两点：一是，三种开发环境各自负责自身优 势内容，开发周期短，效果好；二是，Simulink运行全部仿真飞行 器模型及有关控制、编队、作战等算法，模型调试、算法调试便捷， 无二次开发问题。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的综合管理控制端到编队飞机终端传输结构框图。

图3是编队控制系统原理框图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术 方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本 领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1，为实施本发明基于网络通信的FlightGear和VC混合 系统开发方法，该基于网络通信的FlightGear和VC混合系统大体 分为综合管理控制终端、编队飞机终端、FlightGear服务器、大视 景窗口和通信模块。编队飞机终端同时运行飞机FlighGear、单机控 制模块以及飞机Simulink数字模型。

FlightGear服务器模块采用Linux操作系统，模块能够处理大 量数据、满足高处理速度和高可靠性要求，各个控制端通过堆叠式 高速以太网交换机与服务器相连，服务器执行数据存储、转发、发 布等关键任务。

大视景窗口主要负责三维战场态势(包括环境、地形、编队飞 机、作战过程等)显示。通过作为长机的FlightGear仿真软件的分 屏功能将三维视景显示在大屏幕上，形成大场景视觉效果。

参看图2，可以看出整个系统控制端的作用，同时也能看出整个 系统数据的走向，综合管理控制端将管理信息经过通信模块传输到 服务器，服务器将管理信息传给编队飞机控制端，编队飞机控制端 将各自的管理信息和控制信息通过通信模块传给相对应的 FlightGear软件模块，同时FlightGear软件模块将飞行数据传给编 队飞机控制端和综合管理控制端，进行解算和显示。

最后，对通信模块进行说明，通信模块主要完成FlightGear软 件模块与管理控制模块、每个控制端之间以及各控制模块内部子模 块的通信，实现数据交互。通信采用UDP协议，通过调用Socket API 函数实现网络通信，数据类型包含管理信息、控制信息和飞行数据， 参看图3，管理信息包含飞行环境系统的设置和多机编队中飞机数 量、性能、武器、故障等的管理设置，管理信息通过综合管理终端 的通信模块传输到各个飞机控制端，然后经过飞机控制端对数据解 析，获取各自的管理信息，再传输到FlightGear软件模块；控制信 息是为了控制编队中各架FlightGear飞机自带的自驾仪，在编队控 制时，进行强制解耦，使速度、航向、高度之间不存在耦合关系， 在各自的飞机控制端将速度、航向、高度经过通信子模块传输的 FlightGear飞行模拟器自驾仪的速度、航向、高度接收口；飞行数 据是指FlightGear飞行模拟器通过输出接口，发送实时数据到各自 的控制模块，控制模块将飞行数据显示在界面上，并且存储，同时 控制模块的编队控制系统解算为相应的控制信息，再次传给自驾仪。