无人机飞行可视化仿真系统设计
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摘要
飞行可视化仿真系统采用计算机三维图形动画与飞行数值仿真相结合的设计方法,在计算机屏幕上再现无人机的飞行过程。本系统可广泛应用于飞行模拟、飞控器设计等领域。本文提出了一种Matlab与OpenGL技术相结合的可视化仿真系统结构。
首先,通过对无人机进行飞行运动学分析,建立了飞行运动学方程。根据飞行模拟的基本要求,定义了飞行基准状态,并采用数值计算的方法对方程求解。在Matlab环境下完成了无人机飞行状态仿真和基本飞行控制律设计工作。
然后,利用3D MAX三维建模软件建立了无人机模型。以VC++6.0为开发工具,采用OpenGL技术,实现了无人机三维可视化模拟仿真系统。利用Matlab的COM Builder工具箱,将该环境下的飞行数值仿真系统生成为相应的COM组件。并在飞行可视化仿真系统中进行调用该COM组件,从而实现了数值仿真与三维可视化模拟仿真系统的对接。最终得到了一套完整的无人机可视化仿真系统,从而为今后的无人机飞控器设计与飞行模拟研究奠定了基础。
Visual flight simulation system combines three-dimensional computer graphics animation with flight numerical simulation for depicting flight process of Unmanned Air Vehicle(UAV) on computer screen.It is widely used in the fields of flight simulation,flight controller design,and so on.The thesis presents a visual simulation system structure of combining Matlab with OpenGL.
Firstly,the flight kinematic equations are obtained by analyzing of UAV flight kinematics.The flight benchmark status is defined according to the basic requirements of flight simulation,and the equations are solved by the numerical methods.The simulation of UAV flight and the designing of basic flight control law are also completed in Matlab.
Secondly,the UAV model is built in 3D MAX.The 3D visualization simulation system of UAV is realized,which adopting OpenGL technique in the develop environment of VC++ 6.0.The COM component related to flight simulation system is product by a toolbox named COM-builder in Matlab.Then,the interface of numberical simulation and 3D visualization simulation is realized by calling the COM component.Finally,a complete set of UAV flight visual simulation is obtained,which lays the foundation of designing and simulating of UAV for the future research.
首先,通过对无人机进行飞行运动学分析,建立了飞行运动学方程。根据飞行模拟的基本要求,定义了飞行基准状态,并采用数值计算的方法对方程求解。在Matlab环境下完成了无人机飞行状态仿真和基本飞行控制律设计工作。
然后,利用3D MAX三维建模软件建立了无人机模型。以VC++6.0为开发工具,采用OpenGL技术,实现了无人机三维可视化模拟仿真系统。利用Matlab的COM Builder工具箱,将该环境下的飞行数值仿真系统生成为相应的COM组件。并在飞行可视化仿真系统中进行调用该COM组件,从而实现了数值仿真与三维可视化模拟仿真系统的对接。最终得到了一套完整的无人机可视化仿真系统,从而为今后的无人机飞控器设计与飞行模拟研究奠定了基础。
Visual flight simulation system combines three-dimensional computer graphics animation with flight numerical simulation for depicting flight process of Unmanned Air Vehicle(UAV) on computer screen.It is widely used in the fields of flight simulation,flight controller design,and so on.The thesis presents a visual simulation system structure of combining Matlab with OpenGL.
Firstly,the flight kinematic equations are obtained by analyzing of UAV flight kinematics.The flight benchmark status is defined according to the basic requirements of flight simulation,and the equations are solved by the numerical methods.The simulation of UAV flight and the designing of basic flight control law are also completed in Matlab.
Secondly,the UAV model is built in 3D MAX.The 3D visualization simulation system of UAV is realized,which adopting OpenGL technique in the develop environment of VC++ 6.0.The COM component related to flight simulation system is product by a toolbox named COM-builder in Matlab.Then,the interface of numberical simulation and 3D visualization simulation is realized by calling the COM component.Finally,a complete set of UAV flight visual simulation is obtained,which lays the foundation of designing and simulating of UAV for the future research.
引文
[1]Paul G.Fahlstrom,Thomas J.Gleason.无人机系统导论[M].北京:电子工业出版社,2003
[2]《世界无人机大全》编写组.世界无人机大全[M].北京:航空工业出版社,2004
[3]彭亮,乔惠婷,白净.基于可视人计划的计算医学研究进展[J].清华大学学报(自然科学版),2007,47(12):2199-2203
[4]赵娜,司锡才,李茁.虚拟战场环境能够的导弹可视化仿真设计[J].弹箭与制导学报.2007,27(4):67-70
[5]陈弓,戴晨光,刘航冶.雷达阵地场景三维可视化系统的实现[J].空军雷达学院学报.2007,21(4):248-251
[6]高薇,孙军,张强.可视化技术在绕月探测任务中的应用[J].电脑应用技术.2006,13:18-20
[7]江友谊,李言俊,张科.三维可视化技术在航天器仿真与演示系统中的应用[J].测控技术.2007,26(9):48-50
[8]黎小间,隽峰,高建华,李世恒,曹蕾.假体植入隆乳术计算机仿真系统的研制[J].南方医科大学学报.2007,27(10):1489-1495
[9]汪明霓.视差立体图像及其实现算法[M].北京:科学出版社,2005
[10]肖业伦.航空航天器运动的建模[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003
[11]高晓光.航空军用飞行器导论[M].西安:西北工业大学出版社,2004
[12]赵儒源.无人驾驶飞行器[M].北京:国防工业出版社,1978.
[13]文传源.现代飞行控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004
[14]金长江,范立钦.飞行动力学[M].北京:国防工业出版社,1990
[15]GB/T 16638.2-1996空气动力学 概念、量和符号 第2部分 坐标轴系和飞行器运动状态量[S].北京:中国标准出版社,1996.
[16]高建新,杨红霞,杨红梅,崔亮.四元数理论及在虚拟现实技术中的应用[J].河北理工大学学报(自然科学版).2007,29(3):77-80
[17]M.O.Rauw.A SIMULINK environment for Flight Dynamics and Control analysis-application to the DHC-2 'Beaver'[D].Delft:Delft University of Technology,1993
[18]De Nardi Renzo.Flocking of UAVs Software model and limited vision simulations[D].Essex:University of Essex,2004
[19]Lars Sonneveldt.Nonlinear F-16 Model Description[R].Delft:Delft University of Technology,2006
[20]李志文.战斗机空战建模及其视景仿真软件的研制与开发[D].西安:西北工业大学,2003.4
[21]李言俊,张科.自适应控制理论及应用[M].西安:西北工业大学出版社,2005
[22]周东华.非线性系统的自适应控制导论[M].北京:清华大学出版社,2002
[23]吴旭光,杨惠珍,王新民.计算机仿真技术[M].北京:化学工业出版社,2005
[24]陆金甫,关治偏.微分方程数值解法[M].北京:清华大学出版社,2004
[25]胡健伟,汤怀民.微分方程数值方法[M].北京:科学出版社,1999
[26]李玮.无人机飞行PID控制及智能PID控制技术研究[D].南京:南京理工大学,2004
[27]余长杰,朱纪洪,胡春华,孙增圻.倾转旋翼机模拟平台建模与仿真[J],清华大学学报(自然科学版),2006,46(4):539-542
[28]孙春贞.无人机最简控制系统研究[D].南京:南京航空航天大学,2003.2
[29]王娟.飞行仿真中虚拟航空仪表显示系统的研究和实现[D].长春:吉林大学,2005.5
[30]柳玉甜.无人机放宽航向静稳定性的研究[D].南京:南京航空航天大学,2004.2
[31]薛尧舜.无人机控制器软件研制与控制算法设计[D].西安:西北工业大学,2003.3
[32]王立新.自适应模糊系统与控制:设计与稳定性分析[M].北京:国防工业出版社,1995
[33]王永林.Matlab/Simulink环境下无人机全过程飞行仿真技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2006.2
[34]詹训进.用Ziegler-Nichols方法扩展整定PID调节器的参数[J].韶关学院学报.2006,27(9):42-45
[35]Microstar Laboratories.Ziegler-Nichols Tuning Rules for PID.http://www.mstarlabs.com/control/znrule.html
[36]蒋昊亮.无人机飞控系统的仿真研究[D].南京:南京理工大学,2004.4
[37]翟彬.小型无人机飞控系统实时仿真技术研究[D].郑州:郑州大学,2007.5
[38]王群伟.无人机飞控系统控制律重构技术研究[D].西安:西北工业大学,2007.3
[39]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2004
[40]黄永安,马路,刘慧敏.MATLAB 7.0/Simulink 6.0建模仿真开发与高级工程应用[M].北京:清华大学出版社,2005
[41]石辛民,郝整清.基于MATLAB的实用数值计算[M].北京:清华大学出版社,2006
[42]王华,李有军,刘建存.MATLAB电子仿真与应用教程[M].北京:国防工业出版社,2007
[43]朱衡君,肖燕彩,邱成.MATLAB语言及实践教程[M].北京:清华大学出版社,2005
[44]张威.MATLAB应用程序集成与发布[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005
[45]小丐.com方式调用matlab.http://www.cppblog.com/qzb2006e/archive/2006/08/09/11064.html
[46]A.Riazi.Building COM Components Using MATLAB.http://www.codeproject.com/KB/COM/COMBuilder_1.aspx
[47]刘志俭.MATLAB外部程序接口(6.x)[M].北京:科学出版社,2002
[48]苏金明,黄国明,刘波.MATLAB与外部应用程序接口[M].北京:电子工业出版社,2004
[49]郑大钟.线性系统理论[M].北京:清华大学出版社,2002
[50]福莱,董世海.计算机图形学导论[M].北京:机械工业出版社,2004
[51]洪炳镕,蔡则苏,唐好选.虚拟现实及其应用[M].北京:国防工业出版社,2005
[52]彭群生,鲍虎军,金小刚.计算机真实感图形的算法基础[M].北京:科学出版社,1999
[53]王乘,周均清,李利军.Creator可视化仿真建模技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2005
[54]和平鸽工作室.OpenGL高级编程与可视化系统开发[M].北京:中国水利水电出版社,2006
[55]东方人华,简增强,赵林,葛亮.3ds max 7入门与提高[M].北京:清华大学出版社,2005
[56]童娜,杨帆.3ds max 7完全征服手册[M].北京:中国青年出版社,2005
[57]Roger S.Pressman,郑人杰,马素霞,白晓颖.软件工程:实践者的研究方法[M].北京:机械工业出版社,2007
[58]Richard S.Wright,Jr.Benjamin Lipchak.OpenGL SuperBible[M].北京:人民邮电出版社,2005
[59]OpenGL体系结构审核委员会.OpenGL编程指南[M].北京:人民邮电出版社,2005
[60]向世明.OpenGL编程与实例[M].北京:电子工业出版社,1999
[61]Jochen Wilhelmy.3D Studio File Format Information.http://www.wotsit.org/download.asp? f=3ds info&sc=251642389
[62]Jeff Lewis.The Unofficial 3DStudio 3DS File Format v1.0.http://www.wotsit.org/download.asp?f= 3ds_d&sc=251642389
[63]U.S.Geological Survey,National Mapping Division.Standards for Digital Elevation Models.http://rockvweb.cr.usgs.gov/nmpstds/acrodocs/dem/
[64]赖子铭,史天元.以MicroDEM制作地形模拟飞行动画探讨.http://140.113.136.7/People/tyshih/Publications/SE2003/56.pdf
[65]国家基础地理信息中心.国家基础地理信息系统空间数据.http://nfgis.nsdi.gov.cn/nfgis/chinese/
[66]张正波,牟彦等.OPENGL实现3ds文件中模型自由旋转[J].计算机工程与应用,2005,13:98-100
[2]《世界无人机大全》编写组.世界无人机大全[M].北京:航空工业出版社,2004
[3]彭亮,乔惠婷,白净.基于可视人计划的计算医学研究进展[J].清华大学学报(自然科学版),2007,47(12):2199-2203
[4]赵娜,司锡才,李茁.虚拟战场环境能够的导弹可视化仿真设计[J].弹箭与制导学报.2007,27(4):67-70
[5]陈弓,戴晨光,刘航冶.雷达阵地场景三维可视化系统的实现[J].空军雷达学院学报.2007,21(4):248-251
[6]高薇,孙军,张强.可视化技术在绕月探测任务中的应用[J].电脑应用技术.2006,13:18-20
[7]江友谊,李言俊,张科.三维可视化技术在航天器仿真与演示系统中的应用[J].测控技术.2007,26(9):48-50
[8]黎小间,隽峰,高建华,李世恒,曹蕾.假体植入隆乳术计算机仿真系统的研制[J].南方医科大学学报.2007,27(10):1489-1495
[9]汪明霓.视差立体图像及其实现算法[M].北京:科学出版社,2005
[10]肖业伦.航空航天器运动的建模[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003
[11]高晓光.航空军用飞行器导论[M].西安:西北工业大学出版社,2004
[12]赵儒源.无人驾驶飞行器[M].北京:国防工业出版社,1978.
[13]文传源.现代飞行控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004
[14]金长江,范立钦.飞行动力学[M].北京:国防工业出版社,1990
[15]GB/T 16638.2-1996空气动力学 概念、量和符号 第2部分 坐标轴系和飞行器运动状态量[S].北京:中国标准出版社,1996.
[16]高建新,杨红霞,杨红梅,崔亮.四元数理论及在虚拟现实技术中的应用[J].河北理工大学学报(自然科学版).2007,29(3):77-80
[17]M.O.Rauw.A SIMULINK environment for Flight Dynamics and Control analysis-application to the DHC-2 'Beaver'[D].Delft:Delft University of Technology,1993
[18]De Nardi Renzo.Flocking of UAVs Software model and limited vision simulations[D].Essex:University of Essex,2004
[19]Lars Sonneveldt.Nonlinear F-16 Model Description[R].Delft:Delft University of Technology,2006
[20]李志文.战斗机空战建模及其视景仿真软件的研制与开发[D].西安:西北工业大学,2003.4
[21]李言俊,张科.自适应控制理论及应用[M].西安:西北工业大学出版社,2005
[22]周东华.非线性系统的自适应控制导论[M].北京:清华大学出版社,2002
[23]吴旭光,杨惠珍,王新民.计算机仿真技术[M].北京:化学工业出版社,2005
[24]陆金甫,关治偏.微分方程数值解法[M].北京:清华大学出版社,2004
[25]胡健伟,汤怀民.微分方程数值方法[M].北京:科学出版社,1999
[26]李玮.无人机飞行PID控制及智能PID控制技术研究[D].南京:南京理工大学,2004
[27]余长杰,朱纪洪,胡春华,孙增圻.倾转旋翼机模拟平台建模与仿真[J],清华大学学报(自然科学版),2006,46(4):539-542
[28]孙春贞.无人机最简控制系统研究[D].南京:南京航空航天大学,2003.2
[29]王娟.飞行仿真中虚拟航空仪表显示系统的研究和实现[D].长春:吉林大学,2005.5
[30]柳玉甜.无人机放宽航向静稳定性的研究[D].南京:南京航空航天大学,2004.2
[31]薛尧舜.无人机控制器软件研制与控制算法设计[D].西安:西北工业大学,2003.3
[32]王立新.自适应模糊系统与控制:设计与稳定性分析[M].北京:国防工业出版社,1995
[33]王永林.Matlab/Simulink环境下无人机全过程飞行仿真技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2006.2
[34]詹训进.用Ziegler-Nichols方法扩展整定PID调节器的参数[J].韶关学院学报.2006,27(9):42-45
[35]Microstar Laboratories.Ziegler-Nichols Tuning Rules for PID.http://www.mstarlabs.com/control/znrule.html
[36]蒋昊亮.无人机飞控系统的仿真研究[D].南京:南京理工大学,2004.4
[37]翟彬.小型无人机飞控系统实时仿真技术研究[D].郑州:郑州大学,2007.5
[38]王群伟.无人机飞控系统控制律重构技术研究[D].西安:西北工业大学,2007.3
[39]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2004
[40]黄永安,马路,刘慧敏.MATLAB 7.0/Simulink 6.0建模仿真开发与高级工程应用[M].北京:清华大学出版社,2005
[41]石辛民,郝整清.基于MATLAB的实用数值计算[M].北京:清华大学出版社,2006
[42]王华,李有军,刘建存.MATLAB电子仿真与应用教程[M].北京:国防工业出版社,2007
[43]朱衡君,肖燕彩,邱成.MATLAB语言及实践教程[M].北京:清华大学出版社,2005
[44]张威.MATLAB应用程序集成与发布[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005
[45]小丐.com方式调用matlab.http://www.cppblog.com/qzb2006e/archive/2006/08/09/11064.html
[46]A.Riazi.Building COM Components Using MATLAB.http://www.codeproject.com/KB/COM/COMBuilder_1.aspx
[47]刘志俭.MATLAB外部程序接口(6.x)[M].北京:科学出版社,2002
[48]苏金明,黄国明,刘波.MATLAB与外部应用程序接口[M].北京:电子工业出版社,2004
[49]郑大钟.线性系统理论[M].北京:清华大学出版社,2002
[50]福莱,董世海.计算机图形学导论[M].北京:机械工业出版社,2004
[51]洪炳镕,蔡则苏,唐好选.虚拟现实及其应用[M].北京:国防工业出版社,2005
[52]彭群生,鲍虎军,金小刚.计算机真实感图形的算法基础[M].北京:科学出版社,1999
[53]王乘,周均清,李利军.Creator可视化仿真建模技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2005
[54]和平鸽工作室.OpenGL高级编程与可视化系统开发[M].北京:中国水利水电出版社,2006
[55]东方人华,简增强,赵林,葛亮.3ds max 7入门与提高[M].北京:清华大学出版社,2005
[56]童娜,杨帆.3ds max 7完全征服手册[M].北京:中国青年出版社,2005
[57]Roger S.Pressman,郑人杰,马素霞,白晓颖.软件工程:实践者的研究方法[M].北京:机械工业出版社,2007
[58]Richard S.Wright,Jr.Benjamin Lipchak.OpenGL SuperBible[M].北京:人民邮电出版社,2005
[59]OpenGL体系结构审核委员会.OpenGL编程指南[M].北京:人民邮电出版社,2005
[60]向世明.OpenGL编程与实例[M].北京:电子工业出版社,1999
[61]Jochen Wilhelmy.3D Studio File Format Information.http://www.wotsit.org/download.asp? f=3ds info&sc=251642389
[62]Jeff Lewis.The Unofficial 3DStudio 3DS File Format v1.0.http://www.wotsit.org/download.asp?f= 3ds_d&sc=251642389
[63]U.S.Geological Survey,National Mapping Division.Standards for Digital Elevation Models.http://rockvweb.cr.usgs.gov/nmpstds/acrodocs/dem/
[64]赖子铭,史天元.以MicroDEM制作地形模拟飞行动画探讨.http://140.113.136.7/People/tyshih/Publications/SE2003/56.pdf
[65]国家基础地理信息中心.国家基础地理信息系统空间数据.http://nfgis.nsdi.gov.cn/nfgis/chinese/
[66]张正波,牟彦等.OPENGL实现3ds文件中模型自由旋转[J].计算机工程与应用,2005,13:98-100