[发明专利]直升机后缘襟翼控制虚拟仿真方法

说明书

本发明涉及实时数值仿真、网络通信、计算机编程和视景显示技术领域，为提出一种直升机后缘襟翼虚拟仿真平台，集成实时仿真、数据展示、数据存储、视景显示等功能为一体，用于验证后缘襟翼控制下的振动特性。为此，本发明采取的技术方案是，直升机后缘襟翼控制虚拟仿真方法，基于WPF的用户界面框架开发上位机主控软件对仿真数据进行实时监控与管理；利用Unity 3D开发视景软件，模拟智能旋翼直升机悬停、前飞等状态下的振动、噪声特性，并将开发的场景嵌入主控软件中进行展示，同时虚拟场景可以接收主控软件发送的数据指令进行三维立体展示。本发明主要应用于直升机后缘襟翼虚拟仿真场合。

技术领域

本发明涉及实时数值仿真、网络通信、计算机编程和视景显示等领域，尤其涉及到一种基于Simulink Real-Time的直升机后缘襟翼控制虚拟仿真平台验证。具体涉及直升机后缘襟翼控制虚拟仿真系统。

背景技术

直升机振动水平过高一直是直升机工业面临的最严峻的挑战之一。直升机振动作用环境，不仅会降低直升机结构部件疲劳强度，影响机载设备正常工作，还会干扰飞行员正常工作，严重时还会导致生理和心理疾病。旋翼是直升机振动的最主要来源。自上世纪70年代以来，欧美研究机构广泛地进行了以降低直升机振动、噪声、提高直升机飞行性能为目标的旋翼主动控制技术研究。伴随着智能材料的不断发展，20世纪80年代开始进行智能材料与电控相结合的主动控制技术研究，称之为智能旋翼技术。其中带有主动控制后缘襟翼(ACF,Actively Controlled Trailing Edge Flap)的智能旋翼是当前研究的一个热点,它是在直升机旋翼桨叶的后缘上附加可以按给定规律作偏转运动的小翼面,通过对襟翼的控制来改变旋翼的气动力,从而减小桨毂交变载荷,达到降低机体振动水平的目的。后缘襟翼控制技术具有非常大的发展潜力，尤其是在建模和控制算法方面，由于襟翼的发展方向逐渐走向集成化，多片化，精确化，势必要求更加复杂和有效的控制技术才能满足发展的需求。

为了验证后缘襟翼控制算法的有效性，就需要有一套可行的控制仿真系统，其中用到的仿真技术就显得尤为重要。传统的仿真技术分为全数字仿真和半实物仿真。全数字仿真主要通过借助MATLAB等数学仿真软件构建研究对象的数学模型，根据控制策略编写控制算法，在计算机上对模型及控制算法进行数学解算，获取被控对象输出的状态数据及曲线。半实物仿真则是将全数字仿真回路中的控制器或被控对象等部分组件替换为硬件实物，并通过自动代码生成技术转换为实时仿真程序，在实时硬件设备中进行实时仿真模拟，通过串口等通信方式与硬件实物构成闭环控制进行仿真验证。根据硬件实物组件的不同，半实物仿真又可分为快速控制原型(Rapid Control Prototype，RCP)仿真和硬件在回路(Hardware In The Loop，HIL)仿真。其中，基于被控对象实物与模拟控制器构成的仿真回路称为RCP仿真，基于模拟被控对象与实物控制器构成的仿真回路称为HIL仿真。常用的实时仿真设备有Speedgoat、dSPACE、Simulink Real-Time，虽然Speedgoat、dSPACE二者相比于Simulink Real-Time具有实时性更强、仿真精度更高的优势，但其作为商业产品，定价都过高。

作为传统仿真技术，虽然半实物仿真比起全数字仿真得到的仿真结果更加真实，但其数据结果显示同样只局限于数字与曲线，缺乏更加直观的可视化表达效果，实验人员无法全面直观的了解直升机后缘襟翼的工作状态。随着计算机图形学的发展，虚拟视景仿真技术逐渐成熟起来。虚拟视景仿真技术是在传统的数字仿真技术的基础上，基于三维图形引擎构建虚拟仿真场景以及将数字仿真结果作为数据进行驱动，从而得到以图形化的形式输出的仿真动画，使仿真结果具有更加直观的效果。视景仿真软件诸如OpenGL、OGRE等开发周期长，难度大，开发门槛较高，随着游戏引擎的不断发展，Unity 3D、Unreal等作为免费开源游戏引擎逐渐成为视景仿真的主力软件，解决了视景仿真场景开发中的许多复杂问题。