面向?qū)ο笈c應(yīng)用框架的飛行仿真軟件開發(fā)方法

云 超，李小民，鄭宗貴，劉 品

（1.解放軍軍械工程學(xué)院無人機工程系，河北 石家莊 050003；2.第二炮兵研究院，北京 100085；3.西安軍代局駐203所軍代室，陜西 西安 710065）

0 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicles）是一種由動力驅(qū)動、機上無人駕駛、可重復(fù)使用的航空器［1］。飛行模擬訓(xùn)練器具有節(jié)能、經(jīng)濟、安全、不受場地和氣象條件的限制、縮短訓(xùn)練周期、提高訓(xùn)練效率并且可以節(jié)省大量的經(jīng)費等突出優(yōu)點，尤其是一些真實飛機難以實現(xiàn)的危險訓(xùn)練科目以及不易處理的飛行故障，在飛行模擬器中均可實現(xiàn)［2］。無人機已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種軍事行動并已經(jīng)裝備部隊，為減少平時訓(xùn)練時頻繁實飛裝備帶來的風(fēng)險和不必要的損失，可以采用飛行仿真系統(tǒng)（飛行模擬訓(xùn)練器）替代真實裝備進行訓(xùn)練，飛行仿真系統(tǒng)的逼真度直接影響模擬訓(xùn)練的效果。

飛行仿真軟件作為整個飛行仿真系統(tǒng)的核心部分，其設(shè)計優(yōu)劣直接影響到仿真系統(tǒng)的模擬真實程度。飛行仿真軟件主要涉及數(shù)學(xué)建模和軟件編程的工作。目前，傳統(tǒng)的飛行仿真軟件的開發(fā)方法在很大程度上已不能適應(yīng)于復(fù)雜軟件系統(tǒng)的開發(fā)，從而難以使軟件的質(zhì)量到以保證。為解決傳統(tǒng)面向過程的飛行仿真軟件在開發(fā)過程中面臨的開發(fā)效率低、可重復(fù)利用率差、可維護性不高等缺點，需要將新的開發(fā)方法引入到飛行仿真軟件的開發(fā)過程中［2－3］。

飛行仿真系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成。各個子系統(tǒng)之間還存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，構(gòu)建一個合理、高效的仿真平臺顯得更為重要。傳統(tǒng)的面向過程的飛行仿真軟件的開發(fā)則缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)仿真軟件和使用仿真軟件的不是相同的人，即一部分人開發(fā)飛行仿真軟件提供給另一部分人使用。由于飛行仿真系統(tǒng)在硬件、軟件和接口上的差別，需要仿真開發(fā)人員從頭去消化理解源程序，并依據(jù)新的需求與環(huán)境重新設(shè)計仿真軟件，這樣會耗費大量的精力和時間。因此，需要采用新方法、新手段研究飛行仿真系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與關(guān)聯(lián)關(guān)系，為飛行仿真軟件的開發(fā)和實現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

1 飛行仿真軟件開發(fā)方式

1.1 面向過程的軟件開發(fā)方法

傳統(tǒng)飛行仿真軟件的開發(fā)都是采用面向過程的匯編語言、Fortran語言和C語言，仿真軟件主要運行在專用的計算機上，這些軟件雖然簡練，但其維護性和可擴展性缺很差。隨著飛機系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越高，飛行仿真軟件的復(fù)雜度也越來越高。例如，一臺D級的模擬訓(xùn)練器其內(nèi)部的軟件代碼就有幾百萬行，傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法編寫這樣的軟件已變得越來越困難。要解決此問題，就需要對飛行仿真軟件的構(gòu)造及實現(xiàn)方法進行深入的研究。

FlightGear是開放源代碼的飛行仿真游戲，它為飛行仿真軟件提供了先進的飛行模擬框架。Eric F.Sorton等人［4］使用FlightGear進行無人機的研究；LaSRS＋＋［5－6］采用C＋＋開發(fā)的面向?qū)ο蟮娘w行仿真框架，但由于其源代碼不對外公開，所以無法進行研究和借鑒。JSBSim［7］是FlightGear內(nèi)部的動力學(xué)仿真模塊，它本身也可以單獨運行。JSBSim是由Jon Berndt進行維護并通過互聯(lián)網(wǎng)向全世界分發(fā)。

1.2 面向?qū)ο蠹夹g(shù)

面向?qū)ο蠹夹g(shù)是當(dāng)今飛行仿真軟件開發(fā)領(lǐng)域中最引人注意的研究方向之一，面向?qū)ο蠹夹g(shù)是當(dāng)前開發(fā)大型、復(fù)雜軟件的主流技術(shù)，隨著應(yīng)用的廣泛和深入，其也在不斷地完善。面向?qū)ο蠼＿\用人類習(xí)慣的思維方式、認(rèn)知方法對復(fù)雜系統(tǒng)進行面向?qū)ο蟮姆治龊湍K化的分解，識別出問題域內(nèi)的實體，提取它們之間的關(guān)系，建立問題域的精確、可理解的描述模型，從而達到復(fù)雜問題簡單化、大型系統(tǒng)精細(xì)化的目的。

面向?qū)ο蠼？梢园芽陀^世界的實體以及實體彼此間的關(guān)系映射為封裝了自己的靜態(tài)特征和動態(tài)行為的對象集合以及對象之間的關(guān)系集合，使用規(guī)定的一組運行規(guī)律和行為準(zhǔn)則實現(xiàn)對象狀態(tài)的動態(tài)改變，通過不同對象之間的交互協(xié)作從而實現(xiàn)模擬系統(tǒng)的所有功能。面向?qū)ο蠹夹g(shù)與應(yīng)用框架技術(shù)為大型、復(fù)雜系統(tǒng)的分析與建模提供了可靠的技術(shù)支持和有效的工具支撐。它能夠為某一特定領(lǐng)域提供基本功能的一組類，應(yīng)用系統(tǒng)通過對這組類的使用、修改和擴充，從而達到框架重用的目的。

1.3 應(yīng)用框架技術(shù)

應(yīng)用框架技術(shù)是為某一特定領(lǐng)域提供基本功能的一組類，應(yīng)用系統(tǒng)通過對這組類的使用、修改和擴充達到應(yīng)用框架的重用。應(yīng)用框架技術(shù)是以面向?qū)ο蠹夹g(shù)為基礎(chǔ)，它是以軟件復(fù)用為核心，用一組抽象類及其之間的相互作用關(guān)系來表達應(yīng)用軟件的體系結(jié)構(gòu)的新型框架復(fù)用技術(shù)。應(yīng)用框架是對某一特定應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)的整體或部分的可重用設(shè)計，它給出了描述應(yīng)用系統(tǒng)在總體構(gòu)造上公共或相似的功能，進而在具體的應(yīng)用中依據(jù)實際需求進行功能定制或擴展。應(yīng)用框架是一個能夠被開發(fā)人員實例化的系統(tǒng)構(gòu)架。基于框架的系統(tǒng)開發(fā)，不僅可以充分利用已有的資源和經(jīng)驗，縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)質(zhì)量，而且能夠保證系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一、穩(wěn)定、清晰，便于理解，擴展方便、易于維護，這正是大型、復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)過程中需要重點解決的問題。面向?qū)ο髴?yīng)用框架采用面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格規(guī)定應(yīng)用軟件的體系結(jié)構(gòu)。

2 無人機飛行仿真軟件開發(fā)方法

飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)（也稱飛行仿真系統(tǒng)）是一個復(fù)雜的仿真系統(tǒng)，它通常包含大量的數(shù)學(xué)模型，仿真模型必須能盡可能反應(yīng)系統(tǒng)的本質(zhì)特性，即反應(yīng)飛行器飛行運動的本質(zhì)特性，在此基礎(chǔ)上再考慮系統(tǒng)的完備性。所以飛行仿真系統(tǒng)中完備的仿真模型不可能一步建立，它應(yīng)該是一個不斷改進與深入的過程。這就要求模型的可重配置、可變更。使用程序語言表達數(shù)學(xué)模型并實現(xiàn)仿真功能是仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。以往模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的仿真軟件一般都是面向過程的，這對仿真軟件的開發(fā)和維護提出了更高的要求。在具體建模時，應(yīng)采用條理清晰的模塊化、層次化的設(shè)計方法。合理的劃分系統(tǒng)的組成模塊，分別進行建模。同時還應(yīng)建立共性的通用模型，并為各個子系統(tǒng)調(diào)用。

飛行仿真系統(tǒng)包含飛行器系統(tǒng)模型和機載設(shè)備仿真模型，這些系統(tǒng)模型必須在實時仿真環(huán)境下運行，因此被統(tǒng)稱為實時仿真模型。實時仿真模型是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的核心，它的設(shè)計優(yōu)劣直接決定著整個實時仿真系統(tǒng)的性能，實時飛行仿真軟件的構(gòu)建重點研究兩方面的內(nèi)容：一方面是仿真模型類屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計，類層次結(jié)構(gòu)的合理化是實時仿真系統(tǒng)能否具有重用性、擴展性的關(guān)鍵；另一方面是仿真模型的運行機制，合理的運行機制能夠有效的組織管理使整個仿真系統(tǒng)實時、高效的運行［8－9］。

2.1 面向?qū)ο蟮娘w行仿真軟件類庫結(jié)構(gòu)

面向?qū)ο蠹夹g(shù)具有抽象、封裝、繼承和多態(tài)等特點，因而可以使面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)的仿真軟件具有更優(yōu)良的模塊化、可重用性、靈活性和可維護性等。整個系統(tǒng)在飛行仿真軟件設(shè)計采用面向?qū)ο蟮哪K化、層次化的思想，利用C＋＋語言中類的封裝性將每個功能模塊封裝成一個類，各個類在的實現(xiàn)形式如圖1所示。將每個模塊需要保護的功能函數(shù)和變量聲明為內(nèi)部函數(shù)和變量，將輸入輸出端口函數(shù)聲名為公共函數(shù)，作為和其他類通信的端口。

它包含的主要模塊類：運動方程模塊（CFlyDynFunc）；動力系統(tǒng)模塊（或稱發(fā)動機系統(tǒng)模塊）（CUAVEngine）；氣動力／力矩系數(shù)模塊：該模塊包括六個類，阻力系數(shù)類（CplaneCx）、升力系數(shù)類（CPlaneCy）、側(cè)力系數(shù)類（CPlaneCz）、橫滾力矩系數(shù)類（CPlaneMx）、偏航力矩系數(shù)類（CPlaneMy）和俯仰力矩系數(shù)類（CPlaneMz）；質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量模塊類 （CUAVMandI）；標(biāo) 準(zhǔn) 大 氣 模 塊 類 （CstandardAir）。

圖1 無人機仿真軟件中各個模型類Fig.1 Model type of UAV simulation software

2.2 應(yīng)用框架的飛行仿真軟件運行機制

無人機飛行仿真軟件中包含許多仿真模型，每個模型又是由位于不同等級和層次的多個類組成，通過眾多類對象的實例化，并有條理的組織、管理各個仿真模型實時有序的運行是實時飛行仿真有序、協(xié)調(diào)運行的重要保證。

通過一個高度的抽象類CUAVModel為仿真系統(tǒng)提供統(tǒng)一的運行框架，采用不同層次和等級的派生類對象過程中，首先進行CUAVModel的初始化，由其提供的重載構(gòu)造函數(shù)來完成。由于組成每個仿真模型的整體類負(fù)責(zé)各個模型（子系統(tǒng)）之間通訊的輸入接口，在模型運行前要完成其輸入接口變量的更新，因此在實例化整體類對象的同時調(diào)用CUAVModel的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造函數(shù)來記錄整體類對象所對應(yīng)仿真模型的輸入函數(shù)地址，通過抽象類CUAV Model提供的鏈表操作PushIntoLinkedList（CUAVModel＊）為每個整體類對象動態(tài)的分配存儲空間，每個仿真模型的整體類對象均作為鏈表中的一個結(jié)點，共同維護著抽象類CUAVModel的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員——指向鏈?zhǔn)椎闹羔榤＿pRoot和指向鏈尾的指針m＿pTail，并通過指向下一對象的指針m＿pNext將各個整體類對象鏈接起來，仿真軟件中類對象的鏈表結(jié)構(gòu)如圖2所示。

組成每個仿真模型的部件類被封裝在整體類中，部件類對象作為整體類的成員對象，需要在整體類對象構(gòu)建的同時完成部件類對象的實例化，部件類對象實例化前調(diào)用CUAVModel的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)進行抽象類的初始化。當(dāng)由CUAVModel派生的整體類和部件類都被實例化之后，就實現(xiàn)了各個仿真模型的串聯(lián)，然后使用遞歸或循環(huán)方式控制仿真模型按順序執(zhí)行。

圖2 無人機仿真軟件整體類對象鏈表結(jié)構(gòu)Fig.2 Construction of UAV simalation softwave whole objectclass list

CUAVModel提供了各個系統(tǒng)仿真模型的運行框架，其派生類按照統(tǒng)一的框架各自獨立封裝，派生類之間通過接口交互，這樣使得仿真模型呈現(xiàn)出高內(nèi)聚、低耦合的特征。CUAVModel采用鏈表記錄各個仿真模型的地址，這種方法不僅能夠有效的對各個仿真模型進行調(diào)度、管理，而且增加了整個仿真系統(tǒng)的靈活性，新開發(fā)的仿真模型模塊可以很方便的鏈接到鏈表中并以相同的方式組織、調(diào)用和運行。

3 應(yīng)用實例

飛行仿真軟件是通過系統(tǒng)仿真模型的程序語言實現(xiàn)的，系統(tǒng)仿真模型是建立在對系統(tǒng)進行正確、合理分析的基礎(chǔ)之上的。首先需要對實際系統(tǒng)特征進行清楚的描述，即識別、抽象、組織、表示系統(tǒng)相關(guān)信息，確定系統(tǒng)的基本組成以及它們之間的關(guān)系，進而建立層次化、模塊化的對象模型。根據(jù)面向?qū)ο蟮慕Ｔ瓌t，采用先整體后局部的建模路線，構(gòu)建了無人機飛行仿真模型，并且定制了仿真模型的運行框架，最后通過運行飛行仿真模型的實時程序來實現(xiàn)無人機系統(tǒng)的運行機理與數(shù)據(jù)流程。

3.1 無人機飛行仿真系統(tǒng)

通過對無人機飛行仿真系統(tǒng)自上而下的分析，可以描述出不同粒度的子系統(tǒng)的特點和功能，使無人機飛行仿真系統(tǒng)的面向?qū)ο竽Ｐ途邆淞四K化、層次化和精細(xì)化等特征，并可以成為擴展對象的模型庫，即能夠隨著應(yīng)用的不同構(gòu)建不同粒度的仿真模型，無人機飛行仿真系統(tǒng)主要對象的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

無人機飛行仿真系統(tǒng)按照功能部件和模型等級進行分解，其主要部件包括三部分：飛行環(huán)境模型、無人機飛機系統(tǒng)模型和任務(wù)設(shè)備半物理仿真模型。飛行環(huán)境的實時變化影響無人機飛機系統(tǒng)的飛行姿態(tài)，而無人機飛機系統(tǒng)則能夠?qū)崟r控制任務(wù)設(shè)備半物理仿真模型（機載任務(wù)設(shè)備）。在仿真系統(tǒng)模型中，層次越高的類對象（無人機飛行仿真系統(tǒng)類對象）具有的職責(zé)性越強，它可以負(fù)責(zé)較低層次對象的組織和管理，層位越低的對象具有的功能性越強，即完成具體功能模塊的解算。無人機飛機系統(tǒng)模型模塊是仿真系統(tǒng)的核心部分，它主要包括：飛控計算機模型、動力系統(tǒng)模型、運動方程模型、機載傳感器模型、機載數(shù)據(jù)鏈模型等。每個部件模型都被封裝成具有各自特征、而且能完成特定功能的類，每個子系統(tǒng)都可以被映射成反映本系統(tǒng)特征的對象模型。

圖3 無人機仿真系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Construction block diagrana of USA simulation system

3.2 仿真結(jié)果分析

為了方便無人機飛行仿真軟調(diào)試工作，系統(tǒng)設(shè)計初期在Visual C＋＋環(huán)境下編寫了用戶操作界面，通過前臺界面的控制輸入達到人機交互的目的，啟動主機可以進入無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)置面，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)初始化界面圖Fig.4 Interface of system initialization

在實際的無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，這部分是由實裝的無人機地面測控站代替，但用戶操作界面卻是開發(fā)調(diào)試階段重要的組成分，該用戶界面主要完成的功能：模擬飛行之前，進行無人機系統(tǒng)初始化設(shè)置（主要完成飛機機型選擇和起飛前的參數(shù)設(shè)置），飛行仿真軟件主要負(fù)責(zé)完成的任務(wù)：人機界面的交互、對整個系統(tǒng)的管理與功能設(shè)定等。

設(shè)置仿真時間為90s，無人機初始速度（Airspeed）為23m／s、初始俯仰角為0°。設(shè)置其速度（Airspeed）的穩(wěn)定值為25m／s、俯仰角（θ）穩(wěn)定值為1.7°。圖5記錄了飛機空速變化曲線，圖6記錄了飛機俯仰角變化曲線。

圖5 空速仿真曲線圖Fig.5 Airspeed simulation curve

在無人機飛行過程中加入了風(fēng)干擾作用，即在空速和俯仰角控制率回路加入了隨機的風(fēng)干擾向量W［x，y，z］，圖5和圖6中的上面仿真圖中W［x，y，z］＝［0，0，0］m／s，而下面仿真圖中W［x，y，z］＝［10，－10，0］m／s，加入風(fēng)干擾因素能夠再現(xiàn)復(fù)雜的空中環(huán)境，對無人機地面操控手的訓(xùn)練提供了相對真實的空中環(huán)境。

從典型參數(shù)的輸出曲線圖可以看出，在風(fēng)干擾的環(huán)境下，無人機出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象（即飛行參數(shù)上下振動頻率加快），這與無人機實際飛行狀況非常接近。從仿真結(jié)果來看，基于面向?qū)ο笈c應(yīng)用框架技術(shù)所開發(fā)的某型無人機飛行仿真軟件能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，且整個系統(tǒng)軟件運行穩(wěn)定。

圖6 俯仰角仿真曲線圖Fig.6 Elevation angle simulation curve

4 結(jié)論

本文針對無人機飛行仿真軟件的開發(fā)設(shè)計進行了研究，提出了基于面向?qū)ο蠛蛻?yīng)用框架技術(shù)的無人機飛行仿真軟件開發(fā)方法。通過研究無人機系統(tǒng)的功能模塊、層次結(jié)構(gòu)和運行機制，提出了基于面向?qū)ο蠛蛻?yīng)用框架技術(shù)的三層框架體系的無人機飛行仿真軟件的開發(fā)方法，采用該方法開發(fā)了實例無人機飛行仿真軟件，仿真結(jié)果表明：面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)的程序的靈活性和可維護性，更加便于分析、設(shè)計和理解；應(yīng)用框架能夠為特定領(lǐng)域提供軟件運行的基本類，并通過對這組類的使用、修改和擴充達到對應(yīng)用框架的重用的目的。

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