基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng)，包括FlightGear仿真軟件模塊、通信模塊、配置模塊、存儲模塊、顯示模塊、分析模塊，其中FlightGear仿真軟件模塊接受環(huán)境系統(tǒng)和動力學(xué)系統(tǒng)的控制，控制結(jié)果通過FlightGear仿真軟件進(jìn)行渲染或通過通信模塊輸出，通信模塊完成FlightGear仿真軟件模塊其他模塊的通信，實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)交互；配置模塊用以完成自定義數(shù)據(jù)采集及回放；存儲模塊主要用于存儲數(shù)據(jù)，提供給顯示與分析模塊完成其相應(yīng)功能；顯示模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀顯示，分析模塊運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的多種序列預(yù)測方法，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，對飛行數(shù)據(jù)的未來趨勢做出預(yù)測。
【專利說明】基于Fl ightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng)
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛行仿真記錄分析系統(tǒng)，特別是指基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng)。
【【背景技術(shù)】】
[0002]基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析方法可以通過建立模型，并提供數(shù)字化接口以對原型系統(tǒng)中的多傳感器數(shù)據(jù)融合、駕駛員輔助決策、座艙顯示控制設(shè)計(jì)等多個系統(tǒng)開發(fā)的結(jié)果進(jìn)行監(jiān)視記錄，并且提供接口對原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行圖形化顯示，為原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)人員提供輔助驗(yàn)證手段。
[0003]目前，國外已經(jīng)有很多科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)將FlightGear用于研究項(xiàng)目之中。例如美國伊利諾伊大學(xué)將FlightGear用于飛行結(jié)冰過程的仿真可視化研究；英國威爾士大學(xué)在飛控系統(tǒng)仿真中，利用FlightGear引擎實(shí)現(xiàn)了可視化環(huán)境仿真；飛行管理和地面設(shè)備公司ARINCJf FlightGear軟件發(fā)送NMEA格式的位置信息的軟件部分，改為將INS和GPS信息通過ARINC429數(shù)據(jù)字格式發(fā)送給飛行管理計(jì)算機(jī)，來測試其飛行管理計(jì)算機(jī)。
[0004]同時，國內(nèi)也展開了許多基于FlightGear的研究工作。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員使用AeroSim模塊集建立仿真模型，利用FlightGear作為仿真可視化引擎,其中AeroSim是Unmanned Dynamics公司提供的Simulink下創(chuàng)建的非線性六自由度飛機(jī)動力學(xué)模型的完整工具模塊，該模塊提供了幾種完整的飛機(jī)模型和FlightGear的驅(qū)動模塊，可以將飛機(jī)數(shù)據(jù)傳送給局域網(wǎng)中任何一臺運(yùn)行FlightGear的計(jì)算機(jī)，進(jìn)行飛行模擬動態(tài)顯示。北京應(yīng)用氣象研究所的工作人員針對某型無人飛行器，使用Matlab/Simulink仿真工具，建立了以非線性六自由度飛行模型和自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)為主的彈道/姿態(tài)仿真模塊，在此基礎(chǔ)上使用FlightGear作為可視化引擎，實(shí)`現(xiàn)了飛行仿真中天氣條件、飛行姿態(tài)和地理環(huán)境的三維可視化顯示。大連理工大學(xué)也開展了相關(guān)的研究工作，利用C++語言開發(fā)了直升機(jī)動力學(xué)模塊HeliSim,建立了 HeliSim與FlightGear相結(jié)合的直升機(jī)飛行模擬仿真平臺。
[0005]FlightGear飛行模擬器的視景顯示逼真，能夠真實(shí)的反應(yīng)天氣、地理等飛行環(huán)境，因此在國內(nèi)外大多數(shù)的研究中，F(xiàn)lightGear僅僅是顯示飛行器飛行姿態(tài)，以驗(yàn)證控制策略的可行性，而忽視了 FlightGear的動力學(xué)模型部分的利用和研究。FlightGear的動力學(xué)模型多由專業(yè)人士自發(fā)組織建立的，其中固定翼動力學(xué)模型由Jon S.Berndt領(lǐng)導(dǎo)的JSBSim發(fā)展團(tuán)隊(duì)完成，直升機(jī)動力學(xué)模型由Andy Ross、Maik Justus等完成,其旋翼模型放棄了傳統(tǒng)的葉素理論建模，將槳葉分為多個微元，求解每個微元的氣動力，通過迭代求和得到旋翼的氣動力，更適用于實(shí)時仿真。并且FlightGear下的動力學(xué)模型通過調(diào)用XML格式配置文件獲得飛行器的參數(shù)，利用XML文件配置了軟件的運(yùn)行環(huán)境，這種方法極大的擴(kuò)充了FlightGear軟件的飛機(jī)模型數(shù)量?？梢灶A(yù)見,今后FlightGear的動力學(xué)模型研究會更加深入。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng)，用以降低仿真成本，提高了航空電子測試記錄中的可讀性與可視性。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，實(shí)施本發(fā)明的基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng)包括FlightGear仿真軟件模塊、通信模塊、配置模塊、存儲模塊、顯示模塊、分析模塊，其中FlightGear軟件模塊接受環(huán)境系統(tǒng)和動力學(xué)系統(tǒng)的控制，控制結(jié)果通過三維可視仿真系統(tǒng)進(jìn)行渲染或通過通信模塊輸出，通信模塊完成FlightGear與仿真數(shù)據(jù)管理軟件內(nèi)部其他模塊的通信，實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)交互；配置模塊用以完成自定義數(shù)據(jù)采集及回放功能；存儲模塊主要用于存儲數(shù)據(jù)，提供給顯示、分析等模塊完成其相應(yīng)功能；顯示模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀顯示，分析模塊運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的多種序列預(yù)測方法，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，對飛行數(shù)據(jù)的未來趨勢做出預(yù)測。
[0008]依據(jù)上述主要特征，通信 模塊的通信采用UDP協(xié)議，數(shù)據(jù)類型分為兩種:一種為控制信息；一種為飛行數(shù)據(jù)，控制信息是為控制FlightGear飛行模擬器自帶的飛機(jī)非線性動力學(xué)模型以控制飛機(jī)運(yùn)動，飛行數(shù)據(jù)通信是雙向的，包含兩部分=(I)FlightGear飛行模擬器通過輸入接口，接收外部數(shù)據(jù)，僅驅(qū)動視景模塊，顯示飛機(jī)運(yùn)動狀態(tài)；(2) FlightGear飛行模擬器通過輸出接口，發(fā)送實(shí)時飛行數(shù)據(jù)。
[0009]依據(jù)上述主要特征，配置模塊通過建立一個XML格式的文檔，為需要保存的數(shù)據(jù)項(xiàng)添加相關(guān)標(biāo)簽，當(dāng)程序運(yùn)行時就會將需要的數(shù)據(jù)保存文件中，并且配置模塊根據(jù)XML文檔將文件中的數(shù)據(jù)寫入FlightGear內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，從而在模型解算時調(diào)用相關(guān)的控制信息或驅(qū)動視景顯示。
[0010]依據(jù)上述主要特征，分析模塊所使用的序列預(yù)測方法包括簡單移動平均法、加權(quán)移動平均法、指數(shù)平滑法、自適應(yīng)平滑法、灰色預(yù)測法GM(1，I)、殘差GM(1，I)方法。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明利用FlightGear內(nèi)部模型解算和視景顯示功能對模擬飛行器飛行過程中產(chǎn)生的實(shí)時飛行數(shù)據(jù)的進(jìn)行采集與傳輸、顯示、管理及分析，并將FlightGear仿真軟件模塊的控制結(jié)果通過三維可視仿真系統(tǒng)進(jìn)行渲染，通過記錄飛行姿態(tài)和位置信息實(shí)現(xiàn)對模擬飛行器的回放和控制。此外，本發(fā)明還提供了數(shù)據(jù)挖掘中的多種序列預(yù)測方法，能夠?qū)︼w行數(shù)據(jù)的未來趨勢做出預(yù)測，如此降低仿真成本，提高了航空電子測試記錄中的可讀性與可視性。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0012]圖1為實(shí)施本發(fā)明的基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0013]請參閱圖1所示，為實(shí)施本發(fā)明的基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng)主要包括FlightGear仿真軟件模塊、通信模塊、配置模塊、存儲模塊、顯示模塊、分析模塊。以下對各個模塊的功能進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0014]FlightGear仿真軟件模塊接受環(huán)境系統(tǒng)和動力學(xué)系統(tǒng)的控制，控制結(jié)果通過三維可視仿真系統(tǒng)進(jìn)行渲染或通過通信模塊輸出。該部分也可以通過外部仿真數(shù)據(jù)的激勵，取代FlightGear內(nèi)部激勵功能,僅使用其視覺子系統(tǒng)功能。
[0015]通信模塊是軟件的基礎(chǔ)模塊。通信模塊主要完成FlightGear仿真軟件模塊與仿真數(shù)據(jù)管理軟件內(nèi)部其他模塊的通信，實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)交互。通信采用UDP協(xié)議，數(shù)據(jù)類型包括控制信息與飛行數(shù)據(jù)。控制信息是為控制FlightGear飛行模擬器自帶的飛機(jī)非線性動力學(xué)模型，進(jìn)而控制飛機(jī)運(yùn)動。飛行數(shù)據(jù)通信是雙向的，包含兩部分=(I)FlightGear飛行模擬器通過輸入接口接收外部數(shù)據(jù)，驅(qū)動FlightGear仿真軟件的視景模塊，顯示飛機(jī)運(yùn)動狀態(tài)；(2) FlightGear飛行模擬器通過輸出接口發(fā)送實(shí)時飛行數(shù)據(jù)。
[0016]作為UDP網(wǎng)絡(luò)通信的一端，需要對FlightGear的網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行設(shè)置。FlightGear飛行模擬器自身具備了完善的網(wǎng)絡(luò)通信能力，只需要在設(shè)置面板上對網(wǎng)絡(luò)通信的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即可完成飛行仿真系統(tǒng)的UDP網(wǎng)絡(luò)通信。為了適應(yīng)FlightGear的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，將FlightGear的輸入輸出接口模塊移植到仿真數(shù)據(jù)管理軟件中，作為仿真數(shù)據(jù)管理軟件對應(yīng)FlightGear的輸入輸出接口。
[0017]配置模塊作為輔助功能模塊，在軟件包中主要完成自定義數(shù)據(jù)采集及回放功能:具體是通過建立一個XML格式的文檔，為需要保存的數(shù)據(jù)項(xiàng)添加相關(guān)標(biāo)簽(即關(guān)聯(lián)屬性樹上相關(guān)變量)，當(dāng)程序運(yùn)行時就會將需要的數(shù)據(jù)保存在文件中。相反地，可根據(jù)XML文檔將文件中的數(shù)據(jù)寫入FlightGear內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，從而在模型解算時調(diào)用相關(guān)的控制信息或驅(qū)動FlightGear仿真軟件的視景顯示。
[0018]仿真數(shù)據(jù)管理軟件采用普通協(xié)議(generic protocol,—種自定義協(xié)議)實(shí)現(xiàn)了自定義數(shù)據(jù)采集與回放。以playback為例，該XML配置文檔“playback, xml”位于$FG_R00T\data\Protocol目錄下，其中$FG_R00T表示為FlightGear的安裝路徑。文檔中聲明了需要輸入輸出的屬性值、格式和該屬性結(jié)點(diǎn)在屬性樹(Property Tree)中位置，并聲明了屬性值之間以“，”隔開。該協(xié)議文件可以包含一個〈input〉和一個〈output〉定義塊,使用哪一個取決于如何調(diào)用協(xié)議。每個塊里面包含若干個〈chunk〉塊，用戶可以根據(jù)需要自行添加和刪減〈chunk〉塊。
[0019]存儲模塊主要用于存儲數(shù)據(jù)，并提供給顯示、分析等模塊完成其相應(yīng)功能。
[0020]顯示模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀顯示，主要包括動態(tài)實(shí)時曲線顯示與靜態(tài)全程曲線顯示。動態(tài)實(shí)時曲線用于刻畫時變數(shù)據(jù)的新近變化，用于數(shù)據(jù)傳輸過程中飛行參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控以及對過往數(shù)據(jù)的全程回放，繪制過程中可以開啟對多路數(shù)據(jù)的顯示；靜態(tài)全程曲線在繪制時，可以對曲線上某點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、對圖形進(jìn)行縮放控制以及顯隱控制等。
[0021]分析模塊主要運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的多種序列預(yù)測方法，靈活地分析相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠?qū)︼w行數(shù)據(jù)的未來趨勢做出預(yù)測。所使用的序列預(yù)測方法包括簡單移動平均法、加權(quán)移動平均法、指數(shù)平滑法、自適應(yīng)平滑法、灰色預(yù)測法GM(1，I)、殘差GM(1，I)法，以下對各種方法進(jìn)行簡單的描述。
[0022]移動平均法是用一組最近的實(shí)際數(shù)據(jù)值來預(yù)測未來趨勢的一種常用方法，包括簡單移動平均法與加權(quán)移動平均法。移動平均法適用于短期預(yù)測。當(dāng)數(shù)據(jù)既不快速增長也不快速下降，且不存在時間性因素時，移動平均法能有效地消除預(yù)測中的隨機(jī)波動，能平滑去數(shù)據(jù)的突然波動對預(yù)測結(jié)果的影響。簡單移動平均的各元素的權(quán)重都相等。加權(quán)移動平均給固定跨越期限內(nèi)的每個變量值以不相等的權(quán)重，它考慮到歷史各數(shù)據(jù)信息對預(yù)測未來數(shù)據(jù)的作用是不一樣的。[0023]指數(shù)平滑法是在移動平均法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種時間序列分析預(yù)測法，它是通過計(jì)算指數(shù)平滑值，配合一定的時間序列預(yù)測模型對現(xiàn)象的未來進(jìn)行預(yù)測。其原理是任一期的指數(shù)平滑值都是本期實(shí)際觀察值與前一期指數(shù)平滑值的加權(quán)平均，可用于短期趨勢預(yù)測。
[0024]自適應(yīng)率平滑法是指數(shù)平滑的改進(jìn)，通過改變指數(shù)平滑系數(shù)的值，來不斷調(diào)整預(yù)測的精準(zhǔn)度。
[0025]灰色預(yù)測法GM(1，I)模型是一階方程一個變量的灰色預(yù)測模型。它建模不需要太多的樣本，不要求樣本有較好的分布規(guī)律，定量分析結(jié)果與定性分析結(jié)果不會不一樣，可用于近期、短期和中長期預(yù)測，計(jì)算量少而且有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較好的精準(zhǔn)度，已經(jīng)成為預(yù)測領(lǐng)域一種重要的方法。建模過程是將無規(guī)律的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，得到規(guī)律性較強(qiáng)的生成數(shù)列后進(jìn)行建模，由生成模型得到的數(shù)據(jù)再進(jìn)行累加得到原始數(shù)據(jù)的預(yù)測值，然后進(jìn)行預(yù)測。
[0026]假設(shè)原始數(shù)列為:
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng),包括FlightGear仿真軟件模塊、通信模塊、配置模塊、存儲模塊、顯示模塊、分析模塊，其中FlightGear仿真軟件模塊接受環(huán)境系統(tǒng)和動力學(xué)系統(tǒng)的控制，控制結(jié)果通過FlightGear仿真軟件進(jìn)行渲染或通過通信模塊輸出，通信模塊完成FlightGear仿真軟件模塊與飛行記錄分析系統(tǒng)內(nèi)部其他模塊的通信，實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)交互；配置模塊用以完成自定義數(shù)據(jù)采集及回放；存儲模塊主要用于存儲數(shù)據(jù)，提供給顯示與分析模塊完成其相應(yīng)功能；顯示模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀顯示，分析模塊運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的多種序列預(yù)測方法，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，對飛行數(shù)據(jù)的未來趨勢做出預(yù)測。
2.如權(quán)利要求1所述的基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng),其特征在于:通信模塊的通信采用UDP協(xié)議，數(shù)據(jù)類型包括控制信息與飛行數(shù)據(jù)，控制信息是為控制FlightGear仿真軟件自帶的飛機(jī)非線性動力學(xué)模型以控制飛機(jī)運(yùn)動，而飛行數(shù)據(jù)通信是雙向的，包含兩部分:(DFlightGear仿真軟件通過輸入接口接收外部數(shù)據(jù),驅(qū)動FlightGear仿真軟件中的視景模塊，顯示飛機(jī)運(yùn)動狀態(tài)；(2) FlightGear仿真軟件通過輸出接口發(fā)送實(shí)時飛行數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng),其特征在于:配置模塊通過建立一個XML格式的文檔，為需要保存的數(shù)據(jù)項(xiàng)添加相關(guān)標(biāo)簽，當(dāng)程序運(yùn)行時就會將需要的數(shù)據(jù)保存文件中，并且配置模塊根據(jù)XML文檔將文件中的數(shù)據(jù)寫入FlightGear仿真軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，從而在模型解算時調(diào)用相關(guān)的控制信息或驅(qū)動FlightGear仿真軟件的視景顯示。
4.如權(quán)利要求1所述的基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng),其特征在于:分析模塊所使用的序列預(yù)測方法包括簡單移動平均法、加權(quán)移動平均法、指數(shù)平滑法、自適應(yīng)平滑法、灰色預(yù)測法GM(1，I)、殘差GM(1，I)方法。
5.如權(quán)利要求4所述的基于FlightGear仿真軟件的飛行仿真記錄分析系統(tǒng),其特征在于:其中灰色預(yù)測法GM(1，I)包括如下步驟:。 (1)假設(shè)原始數(shù)列為:
【文檔編號】G09B9/08GK103617324SQ201310643524
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】張國全, 徐克 , 李熠 申請人:中國航空無線電電子研究所