[發(fā)明專利]直升機后緣襟翼控制虛擬仿真方法

在審

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• 申請日: 2021-08-02
• 公開（公告）號: CN113589706A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設計）人: 宗群;趙杰;陳鈺;竇立謙;紀微
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發(fā)明涉及實時數(shù)值仿真、網(wǎng)絡通信、計算機編程和視景顯示技術領域，為提出一種直升機后緣襟翼虛擬仿真平臺，集成實時仿真、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)存儲、視景顯示等功能為一體，用于驗證后緣襟翼控制下的振動特性。為此，本發(fā)明采取的技術方案是，直升機后緣襟翼控制虛擬仿真方法，基于WPF的用戶界面框架開發(fā)上位機主控軟件對仿真數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控與管理；利用Unity 3D開發(fā)視景軟件，模擬智能旋翼直升機懸停、前飛等狀態(tài)下的振動、噪聲特性，并將開發(fā)的場景嵌入主控軟件中進行展示，同時虛擬場景可以接收主控軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)指令進行三維立體展示。本發(fā)明主要應用于直升機后緣襟翼虛擬仿真場合。

技術領域

本發(fā)明涉及實時數(shù)值仿真、網(wǎng)絡通信、計算機編程和視景顯示等領域，尤其涉及到一種基于Simulink Real-Time的直升機后緣襟翼控制虛擬仿真平臺驗證。具體涉及直升機后緣襟翼控制虛擬仿真系統(tǒng)。

背景技術

直升機振動水平過高一直是直升機工業(yè)面臨的最嚴峻的挑戰(zhàn)之一。直升機振動作用環(huán)境，不僅會降低直升機結構部件疲勞強度，影響機載設備正常工作，還會干擾飛行員正常工作，嚴重時還會導致生理和心理疾病。旋翼是直升機振動的最主要來源。自上世紀70年代以來，歐美研究機構廣泛地進行了以降低直升機振動、噪聲、提高直升機飛行性能為目標的旋翼主動控制技術研究。伴隨著智能材料的不斷發(fā)展，20世紀80年代開始進行智能材料與電控相結合的主動控制技術研究，稱之為智能旋翼技術。其中帶有主動控制后緣襟翼(ACF,Actively Controlled Trailing Edge Flap)的智能旋翼是當前研究的一個熱點,它是在直升機旋翼槳葉的后緣上附加可以按給定規(guī)律作偏轉(zhuǎn)運動的小翼面,通過對襟翼的控制來改變旋翼的氣動力,從而減小槳轂交變載荷,達到降低機體振動水平的目的。后緣襟翼控制技術具有非常大的發(fā)展?jié)摿Γ绕涫窃诮：涂刂扑惴ǚ矫妫捎诮笠淼陌l(fā)展方向逐漸走向集成化，多片化，精確化，勢必要求更加復雜和有效的控制技術才能滿足發(fā)展的需求。

為了驗證后緣襟翼控制算法的有效性，就需要有一套可行的控制仿真系統(tǒng)，其中用到的仿真技術就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的仿真技術分為全數(shù)字仿真和半實物仿真。全數(shù)字仿真主要通過借助MATLAB等數(shù)學仿真軟件構建研究對象的數(shù)學模型，根據(jù)控制策略編寫控制算法，在計算機上對模型及控制算法進行數(shù)學解算，獲取被控對象輸出的狀態(tài)數(shù)據(jù)及曲線。半實物仿真則是將全數(shù)字仿真回路中的控制器或被控對象等部分組件替換為硬件實物，并通過自動代碼生成技術轉(zhuǎn)換為實時仿真程序，在實時硬件設備中進行實時仿真模擬，通過串口等通信方式與硬件實物構成閉環(huán)控制進行仿真驗證。根據(jù)硬件實物組件的不同，半實物仿真又可分為快速控制原型(Rapid Control Prototype，RCP)仿真和硬件在回路(Hardware In The Loop，HIL)仿真。其中，基于被控對象實物與模擬控制器構成的仿真回路稱為RCP仿真，基于模擬被控對象與實物控制器構成的仿真回路稱為HIL仿真。常用的實時仿真設備有Speedgoat、dSPACE、Simulink Real-Time，雖然Speedgoat、dSPACE二者相比于Simulink Real-Time具有實時性更強、仿真精度更高的優(yōu)勢，但其作為商業(yè)產(chǎn)品，定價都過高。

作為傳統(tǒng)仿真技術，雖然半實物仿真比起全數(shù)字仿真得到的仿真結果更加真實，但其數(shù)據(jù)結果顯示同樣只局限于數(shù)字與曲線，缺乏更加直觀的可視化表達效果，實驗人員無法全面直觀的了解直升機后緣襟翼的工作狀態(tài)。隨著計算機圖形學的發(fā)展，虛擬視景仿真技術逐漸成熟起來。虛擬視景仿真技術是在傳統(tǒng)的數(shù)字仿真技術的基礎上，基于三維圖形引擎構建虛擬仿真場景以及將數(shù)字仿真結果作為數(shù)據(jù)進行驅(qū)動，從而得到以圖形化的形式輸出的仿真動畫，使仿真結果具有更加直觀的效果。視景仿真軟件諸如OpenGL、OGRE等開發(fā)周期長，難度大，開發(fā)門檻較高，隨著游戲引擎的不斷發(fā)展，Unity 3D、Unreal等作為免費開源游戲引擎逐漸成為視景仿真的主力軟件，解決了視景仿真場景開發(fā)中的許多復雜問題。