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vieWTerra 平台下的飞行器运动仿真技术
研究
胡佳鑫，熊岳山**
作者简介：胡佳鑫，(1989-)，男，硕士，主要研究可视化仿真。
通信联系人：熊岳山，（1960-），男，教授，主要研究虚拟现实与可视化。E-mail: ysxiong@hotmail.com
5 （国防科学技术大学计算机学院，长沙 410073）
摘要：为了提高飞行仿真系统的真实性,提出一种vieWTerra 平台下的飞行仿真系统开发方
法。首先,基于一般性的软件体系结构和面向对象的设计思想,建立飞行仿真系统的总体架构；
然后基于飞行器六自由度运动模型,提出飞行运动数学表示和C++语言描述方法；利用
vieWTerra 平台创建真实逼真的三维场景。最终实现了飞机器运动的交互式飞行仿真系统。
10 关键词：飞行仿真；可视交互仿真；运动模型；vieWTerra
中图分类号：TP11
Study of Flight Vehicle Motion Simulation Based on
vieWTerra
15 Hu Jiaxin, Xiong Yueshan
(School of Computer Science, National University of Defense Technology, ChangSha 410073)
Abstract: In order to improve the reality of flight simulation system,a method of development
based on vieWTerra is presented.Based on generic software system attribution and object oriented
design, we establish the attribution of flight simulate system at first.Then mathematic expression
20 of flight motion and C++ language description can be put forward,based on six degree-of-freedom
motion model of vehicle.Factual and realistic 3D sense is established by utilizing vieWTerra
platform,which finally achieve the interactive flight simulation system of aircraft.
Keywords: Flight simulation; VIS; Motion model; vieWTerra
25 0 引言
飞行仿真是以飞行器的运动情况为研究对象、面向复杂系统的仿真。它首先按照飞行器
运动学、空气动力学以及飞行控制原理等有关理论建立起相关的数学模型,然后以此模型为
依托进行模拟试验和分析研究。飞行仿真从计算机发明之前的物理仿真就兴盛起来,历经物
理仿真、模拟机仿真、数字机仿真、基于图形站的三维可视多媒体交互式仿真和虚拟环境(VE )
30 与虚拟现实(VR),五个阶段发展至今。现在将虚拟现实技术应用于飞行仿真系统已成为未来
飞行仿真技术的发展方向。飞行仿真系统是飞行仿真的重要组成部分,它采用现代计算机图
形图像技术,建立一个虚拟的、逼真的飞行环境,模拟出飞行器的飞行过程,充分体现出真实
性、复杂性、实时性、交互性。
目前,国内开发飞行仿真系统的模式较多,比较流行的有两种：采用OpenGL 图形应用接
35 口[1]和基于MultiGen Creator/VEGA 仿真平台[2]。OpenGL 是一个开放的三维图形软件库,可
以和Visual C++紧密结合,开发出准确稳定的仿真程序。但是OpenGL 并不是专业仿真软件
接口,采用OpenGL 开发需要额外学习投影、变换、纹理等相关的计算机图形学内容,所以使
得开发难度大、代价高、周期长。而且对于不同的仿真任务,OpenGL 开发的仿真系统通用性
很差。仿真平台MultiGen/VEGA 以其效率高、易用的优点,被大多数仿真系统所采用[3]。但
40 这种方式缺乏灵活性,同时三维场景方面也需要大量工作才能实现其真实性,如道路、河流、
建筑等都需要独立建模。
vieWTerra 平台由一个非常逼真的3D 地球浏览器组成,从海底到外层空间,以任何方向提
供无缝导航。vieWTerra 使用大规模的卫星数据库(如数字高程模型(DEM)、LandCover(土地
覆盖)、卫星纹理、气象数据等等),并用其独有的程序算法结合它们,以实时的3D、惊人的逼
45 真效果来重现所有类型的自然景观。本文获准访问vieWTerra 的技术库,运用C/C++语言对
vieWTerra 进行二次开发,建立特定的仿真系统。vieWTerra 平台是一个高性能实时的仿真平
台,具有良好的跨平台性、可交互性、可开发等特点。vieWTerra 具有对围绕地球所有景观的
逼真渲染和对灯光、气温、风速、降水积雪的方便控制。这些特点不仅大大简短了开发周期,
提高了开发效率,而且使仿真系统的可视化真实性有了很大的提升。
50 下图为vieWTerra 地球浏览器中逼真的自然景观。
图1. 逼真的太阳光照和植被
Fig.1 Realistic the sun illumination
55 1 飞行仿真系统总体结构
较为完整的飞行仿真系统应该包括用户操作模块、飞行器建模模块、飞行器运动建模模
块、三维场景模块和驱动模块。用户操作模块发出仿真指令后,飞行器建模模块建立飞行器
的数据模型,飞行器运动建模模块再计算出飞行器的数学模型,三维场景模块负责创建出满足
特定要求的仿真场景，然后将飞行器加载到三维场景中。最后利用驱动模块,将用户命令实
60 时地输入到系统中,实现飞行仿真的三维实时可视化显示。下图给出整个系统流程：
图2 飞行仿真系统的框架
Fig.2 Attribute of Flight Simulate System
65
2 飞行器运动建模
2.1 建立飞行器运动的数学模型
仿真对象的建模是系统的核心，飞行器运动建模旨在建立飞行器的数学模型。在给定的
初始条件下,采用数值算法,对飞行器飞行的全过程进行仿真,得到飞行器在任意时刻的位置
70 与姿态,以及飞行器的飞行航迹。
为了方便模型的建立,可先作如下的假设：
1）飞行器为刚体,不考虑地球旋转部件影响和弹性变形,飞机质量保持不变。
2）地球表面为平面,不计地球自转和公转运动的影响。
在以上假设前提下,建立飞行器飞行的动力学方程和运动学方程[4],输入为飞行器三个方
75 向上的作用力和力矩,输出为飞行高度、速度等飞行参数。
其中动力学方程为：
⎪⎩
⎪⎨
⎧
= − +
= − +
= − +
( )
( )
( )
z z x y y x
y y z x x z
x x y z z y
F m V V V
F m V V V
F m V V V
ω ω
ω ω
ω ω
(1)
2 2
( )
( ) ( )
( )
x x x z xz y z z y x y xz
y y y x z x z x z xz
z z z y xz x y y x y z xz
M I I I I I
M I I I I
M I I I I I
ω ω ωω ωω
ω ωω ω ω
ω ω ωω ω ω
⎧ = − + − −
⎪ = + − + − ⎨⎪
⎩ = − + − +
(2)
其中, x y z x y z x y z x y z x y z F , F ,F ;V ,V ,V ;ω ,ω ,ω ;M ,M ,M ; I , I , I 分别代表作用在飞行器上
80 的所有外力和F；飞行器的质心速度V；质心转动的总角速度ω ；外力矩M；转动惯量I
在机体系三个坐标轴上分量； xz m, I 则表示飞行器质量和惯性积。
飞行运动学方程为：
cos cos (sin cos cos sin sin )
(sin sin cos sin cos )
sin cos (cos cos sin sin sin )
(cos sin sin sin cos )
sin cos sin cos cos
gx x y
z
gy x y
z
gz x y z
V V V
V
V V V
V
V V V V
ψ θ ψ ϕ ψ θ ϕ
ψ ϕ ψ θ ϕ
ψ θ ψ ϕ ψ θ ϕ
ψ ϕ ψ θ ϕ
θ θ ϕ θ ϕ
= − − ⎧⎪
+ + ⎪⎪
= + + ⎪⎨
− − ⎪⎪
= − + +
⎪⎪⎩
(3)
sin
cos cos sin
sin cos cos
x
y
z
ω ϕ ψ θ
ω θ ϕ ψ θ ϕ
ω θ ϕ ψ θ ϕ
= − ⎧⎪
= − ⎨⎪
⎩ = − +
(4)
其中, gx gy gz V ,V ,V 代表地面坐标系中速度g 85 V 三个坐标轴分量；ψ ,θ ,ϕ 分别为偏航角、俯
仰角、滚转角。
得到的飞行器运动方程可在给定的初值条件下,采用数值算法可求解出[5]。而整个仿真过
程是一个循环体,飞行器的运动过程细致到系统渲染的两帧时间差Δt 内,依靠不断输入的质
点坐标和飞行器的三个Euler 角,渲染出连续的飞行过程。
90 2.2 飞行器的类结构设计
本文采用C/C++语言和面向对象的设计思想,首先根据仿真系统的需求,将飞行数据独立
封装成一个类,再设计出飞行器模型的类和相关的控制类、显示类。最后通过整合各个模块,
达到高内聚、低耦合的效果,满足系统的要求[6]。
面向对象的设计是一种提供符号设计系统的面向对象的实现过程,它用非常接近实际领
95 域术语的方法把系统构建成“现实世界”对象。面向对象的分解根据抽象关键的问题域来分解
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系统,这样就可提高代码的复用性。即若需要加载某个飞行器,可以直接为其添加一个对象即
可。
下图给出飞行仿真系统的逻辑类图,采用统一建模语言(UML)表示。
100 图3 飞行仿真系统的逻辑视图
Fig.3 Flight Simulation System logical view
FlightControl 类和FlightData 类负责实时控制飞行器的位置和姿态,是整个仿真系统的核
心。其中FlightData 的六个成员：Lonitude、Latitude、Altitude、Alpha、Beta、Theta 就是飞
105 行器在飞行过程中的六自由度坐标，通过飞行器运动建模模块生成。通过调用ReadFlyData
函数读取数据，形成控制飞行仿真的输入流。FlightControl 调用GetFlyData 函数获得
FlightData 的六自由度数据,然后再结合自身的操作集来实现对飞行过程的实时控制。
KeyControl 类主要负责用户的键盘鼠标交互。系统通过响应用户的指令,实现启动、初
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