飛行仿真原理

內(nèi)容概要

本書是飛行仿真領(lǐng)域中一本重量級教科書，是作者在英國南安普頓大學(xué)、克蘭菲爾德大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)近30年開展航空電子、飛行仿真教學(xué)和多年從事飛行仿真模擬器開發(fā)的基礎(chǔ)上編寫而成的。其內(nèi)容涵蓋構(gòu)成飛行仿真的三大支撐要素——建模、數(shù)學(xué)算法和軟件工具，包括飛行仿真的發(fā)展演變歷程、建模原理、飛行動力學(xué)、飛行控制系統(tǒng)仿真、導(dǎo)航系統(tǒng)仿真、飛機(jī)儀表顯示和視景系統(tǒng)開發(fā)、運(yùn)動平臺仿真等關(guān)鍵技術(shù)，列舉了工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，并給出了相應(yīng)的解決辦法。本書注重理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，針對具體問題給出了多個參考實(shí)例，特別是其中的代碼均來自作者參與開發(fā)的實(shí)際工程項(xiàng)目，具有很高的參考價值。

作者簡介

作者：（英國）阿勒頓（David Allerton） 譯者：劉興科  阿勒頓（Allerton D.），于1972年畢業(yè)于拉格比工程技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程系，獲得學(xué)士學(xué)位，1973年從拉夫堡教育學(xué)院獲得物理學(xué)研究生學(xué)位。1977年，他從劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位，研究方向是并行計(jì)算，之后他加入馬可尼空間和防御系統(tǒng)公司擔(dān)任一名助理工程師，從事嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)工作。1981年，他被聘為南安普頓大學(xué)電子學(xué)系講師，并于1987年晉升為高級講師。1991年，他到克蘭菲爾德大學(xué)航空學(xué)院擔(dān)任電子學(xué)教授，并組建航空電子系。2002年，他受聘為謝菲爾德大學(xué)計(jì)算系統(tǒng)工程系主任。Allerton教授在南安普頓大學(xué)、克蘭菲爾德大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)期間曾開發(fā)了五種型號的飛行模擬器。作為英國皇家宇航學(xué)會飛行仿真委員會成員和前任主席，他曾為英國國防和宇航前瞻小組、國家航空電子咨詢委員會、合成環(huán)境咨詢委員會等政府機(jī)構(gòu)工作。1998年，他獲得由英國高等教育基金委員會提供的75萬英鎊資助，用于建設(shè)克蘭菲爾德大學(xué)飛行仿真中心。1992年到2001年間，他在克蘭菲爾德大學(xué)每年開設(shè)一期飛行仿真領(lǐng)域的短期課程。此外，他還是英國工程技術(shù)協(xié)會會員和英國皇家宇航學(xué)會會員，并持有認(rèn)證工程師資格。他的研究方向包括計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)、實(shí)時軟件、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、空中管理、飛行仿真、航空電子學(xué)和操作系統(tǒng)。他持有IMC級私人飛行員駕照，并曾代表約克郡參加網(wǎng)球比賽（以超過55歲高齡）。

書籍目錄

目    錄
第1章  緒論
1.1  歷史回顧
1.1.1  飛行史上的第一個40年（1905年~1945年）
1.1.2  模擬計(jì)算機(jī)年代（1945年~1965年）
1.1.3  數(shù)字計(jì)算機(jī)年代（1965年~1985年）
1.1.4  微電子技術(shù)革命時代（1985年至今）
1.2  仿真的應(yīng)用案例
1.2.1  安全性
1.2.2  經(jīng)濟(jì)效益
1.2.3  訓(xùn)練遷移
1.2.4  工程飛行仿真
1.3  仿真角色的轉(zhuǎn)變
1.4  飛行模擬器構(gòu)成
1.4.1  運(yùn)動學(xué)公式
1.4.2  空氣動力模型
1.4.3  發(fā)動機(jī)模型
1.4.4  數(shù)據(jù)采集
1.4.5  傳動模型
1.4.6  氣象模型
1.4.7  視景系統(tǒng)
1.4.8  音效系統(tǒng)
1.4.9  運(yùn)動系統(tǒng)
1.4.10  控制載荷
1.4.11  儀表顯示
1.4.12  導(dǎo)航系統(tǒng)
1.4.13  系統(tǒng)維護(hù)
1.5  實(shí)時仿真基本概念
1.6  飛行員感知
1.6.1  視覺感知
1.6.2  運(yùn)動感知
1.7  訓(xùn)練與仿真
1.8  仿真案例
1.8.1  商業(yè)飛行訓(xùn)練
1.8.2  軍事飛行訓(xùn)練
1.8.3  初級飛行訓(xùn)練
1.8.4  陸地車輛模擬器
1.8.5  工程飛行模擬器
1.8.6  能力測試
1.8.7  基于計(jì)算機(jī)的訓(xùn)練
1.8.8  維修培訓(xùn)
參考文獻(xiàn)
第2章  建模原理
2.1  建模的概念
2.2  牛頓力學(xué)
2.3  坐標(biāo)系
2.4  微分方程
2.5  數(shù)值積分
2.5.1  近似方法
2.5.2  一階方法
2.5.3  高階方法
2.6  實(shí)時計(jì)算
2.7  數(shù)據(jù)采集
2.7.1  數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化
2.7.2  數(shù)據(jù)采集
2.8  飛行數(shù)據(jù)
2.9  內(nèi)插
2.10  分布式系統(tǒng)
2.11  實(shí)時協(xié)議
2.12  建模中的問題
參考文獻(xiàn)
第3章  飛機(jī)動力學(xué)
3.1  飛行建模原理
3.2  大氣
3.3  力
3.3.1  氣動升力
3.3.2  氣動側(cè)力
3.3.3  氣動阻力
3.3.4  推進(jìn)力
3.3.5  重力
3.4  力矩
3.4.1  靜態(tài)穩(wěn)定性
3.4.2  氣動力矩
3.4.3  氣動導(dǎo)數(shù)
3.5  坐標(biāo)系
3.5.1  機(jī)體系
3.5.2  安穩(wěn)坐標(biāo)系
3.5.3  風(fēng)軸系
3.5.4  慣性系
3.5.5  坐標(biāo)系變換
3.5.6  地心固聯(lián)坐標(biāo)系
3.5.7  經(jīng)緯度
3.6  四元數(shù)法
3.7  運(yùn)動方程
3.8  推進(jìn)系統(tǒng)
3.8.1  活塞式發(fā)動機(jī)
3.8.2  噴氣式發(fā)動機(jī)
3.9  起落架
3.10  公式集
3.11  公式回顧——長距離導(dǎo)航
3.11.1  科里奧利加速度
參考文獻(xiàn)
第4章  飛行控制系統(tǒng)仿真
4.1  拉普拉斯變換
4.2  仿真中的傳遞函數(shù)
4.3  PID控制系統(tǒng)
4.4  配平
4.5  飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)
4.6  轉(zhuǎn)彎配位器和偏航阻尼器
4.7  自動油門
4.8  垂直速度管理
4.9  高度保持
4.10  航向保持
4.11  定位跟蹤
4.12  自動著陸系統(tǒng)
4.13  飛行管理系統(tǒng)
參考文獻(xiàn)
第5章  飛機(jī)顯示系統(tǒng)
5.1  顯示系統(tǒng)原理
5.2  繪制線條
5.3  字符生成
5.4  二維圖形操作
5.5  紋理
5.6  OpenGL
5.7  飛機(jī)儀表仿真
5.8  EFIS顯示器仿真
5.8.1  姿態(tài)指示儀
5.8.2  高度計(jì)
5.8.3  空速指示器
5.8.4  羅盤卡
5.9  平視顯示器
參考文獻(xiàn)
第6章  飛行導(dǎo)航系統(tǒng)仿真
6.1  導(dǎo)航原理
6.2  導(dǎo)航計(jì)算
6.3  地圖投影
6.4  基本飛行信息
6.4.1  姿態(tài)指示儀
6.4.2  高度計(jì)
6.4.3  空速指示器
6.4.4  羅盤
6.4.5  垂直速度指示儀
6.4.6  轉(zhuǎn)彎指示儀
6.4.7  側(cè)滑球
6.5  自動定向儀（ADF）
6.6  甚高頻全向信標(biāo)（VOR）
6.7  測距儀（DME）
6.8  儀表著陸系統(tǒng)（ILS）
6.9  飛行指揮儀
6.10  慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
6.10.1  坐標(biāo)系
6.10.2  慣導(dǎo)系統(tǒng)方程
6.10.3  慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差建模
6.10.4  慣導(dǎo)系統(tǒng)模型確認(rèn)
6.11  全球定位系統(tǒng)
參考文獻(xiàn)
進(jìn)一步閱讀材料
第7章  模型校核
7.1  模擬器鑒定和驗(yàn)收
7.2  模型校核方法
7.2.1  座艙幾何構(gòu)造
7.2.2  靜態(tài)測試
7.2.3  開環(huán)測試
7.2.4  閉環(huán)測試
7.3  時延
7.4  性能分析
7.5  縱向動力特性
7.6  側(cè)向動力特性
7.7  正確的模型校核
參考文獻(xiàn)
第8章  視景系統(tǒng)
8.1  背景
8.2  視景系統(tǒng)流水線
8.3  三維圖形運(yùn)算
8.4  實(shí)時圖像生成
8.4.1  基本的實(shí)時線框IG系統(tǒng)
8.4.2  OpenGL實(shí)時IG系統(tǒng)
8.4.3  OpenGL實(shí)時紋理IG系統(tǒng)
8.4.4  OpenSceneGraph IG系統(tǒng)
8.5  視景數(shù)據(jù)庫的管理
8.6  投影系統(tǒng)
8.7  視景系統(tǒng)中的問題
參考文獻(xiàn)
第9章  教員控制臺
9.1  教育、 訓(xùn)練和教學(xué)
9.2  專項(xiàng)任務(wù)訓(xùn)練和基于計(jì)算機(jī)的訓(xùn)練
9.3  教員的職責(zé)
9.4  用戶界面設(shè)計(jì)
9.4.1  人的因素
9.4.2  用戶操作分類
9.4.3  用戶接口結(jié)構(gòu)
9.4.4  用戶輸入選擇
9.4.5  教員命令
9.5  實(shí)時交互
9.6  地圖顯示
9.7  飛行數(shù)據(jù)記錄
9.8  腳本
參考文獻(xiàn)
第10章  運(yùn)動系統(tǒng)
10.1  需要運(yùn)動系統(tǒng)嗎？
10.2  運(yùn)動生理學(xué)
10.3  驅(qū)動器結(jié)構(gòu)
10.4  運(yùn)動方程
10.5  運(yùn)動系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
10.6  液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)
10.7  液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模
10.8  運(yùn)動系統(tǒng)的不足
10.9  未來的運(yùn)動系統(tǒng)
參考文獻(xiàn)
縮略詞表

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   在自動控制模式下，實(shí)際上飛行員可以自主選擇或者不選擇4.6—4.9節(jié)中描述的四種飛行控制模式。比如，為了下降到3000 ft，空速350 kt的狀態(tài)，飛行員可以選擇高度3000 ft，自動油門速度為350 kt，然后控制速度和高度進(jìn)入下降狀態(tài)。在下降期間，如果需要將指令速度或者高度設(shè)置為新值，只需要轉(zhuǎn)動相應(yīng)按鈕。除此之外，飛行員可以設(shè)置下降（或者爬升）速率，而不需要指定高度，還可以選擇航向（磁航向或者真實(shí)航向均可）或者飛行軌跡。此外，面板上的高亮按鈕可以用于選擇單個或者兩個自動駕駛員（APl和AP2）、自動油門（A／THR）、加急下降（EXPED）、自動著陸（APPR）或者跟蹤VOR定位信標(biāo)（LOC）。 從模擬器設(shè)計(jì)者的角度看，這些功能都需要利用FCU面板進(jìn)行選擇，可以進(jìn)入或者退出本章中講述的各項(xiàng)自動控制模式。有些模擬器會采用真實(shí)飛機(jī)上的FCU模塊，利用來自飛機(jī)數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。有些制造商則采用模擬系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)，并利用串口通信或者以太網(wǎng)特定協(xié)議的支持。根據(jù)訓(xùn)練應(yīng)用目標(biāo)的不同，F(xiàn)CU（以及類似操控面板）可以利用輸出到平板顯示面板上的軟件面板進(jìn)行模擬，通過鼠標(biāo)或者軌跡球?qū)崿F(xiàn)開關(guān)和按鈕交互。然而無論是使用哪類系統(tǒng)，運(yùn)行模式的任何改變都需要被系統(tǒng)檢測到（如按下開關(guān)或者轉(zhuǎn)動旋鈕），根據(jù)控制動作的不同，可以將系統(tǒng)置于相應(yīng)的控制模式。在模擬這些系統(tǒng)時，提請注意的是必須確保模擬單元完全遵循制造商對設(shè)備的規(guī)定。 盡管機(jī)組乘員能夠通過選擇飛機(jī)的速度、高度和航向在各個航段對飛行計(jì)劃進(jìn)行手動控制，但是這種方式對于機(jī)組乘員來說是一項(xiàng)非常耗時（且易于出現(xiàn)誤操作）的活動，因此FMS具備載入、修正和執(zhí)行飛行計(jì)劃的功能。一個完整的飛行計(jì)劃可以包括水平飛行計(jì)劃和垂直飛行計(jì)劃，其中包含介于起飛點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間的一系列航路點(diǎn)。飛行計(jì)劃還會包括用于飛行安全和經(jīng)濟(jì)性管理的必要信息。當(dāng)然，機(jī)組乘員能夠在任何時候取代飛行計(jì)劃，或者利用FCU選擇另一種系統(tǒng)設(shè)置。 對于大部分航空公司來說，飛行計(jì)劃都是由部署于運(yùn)營中心的計(jì)算機(jī)生成，并以能夠上傳到飛機(jī)上的格式下發(fā)給機(jī)組乘員。否則，機(jī)組乘員只能手動輸入包括航路點(diǎn)、機(jī)場著陸點(diǎn)、導(dǎo)航信標(biāo)在內(nèi)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。制作飛行計(jì)劃將使用航空公司航路信息及飛機(jī)在高效（和經(jīng)濟(jì)）運(yùn)行狀態(tài)下的輸出速度和爬升速率等飛機(jī)性能數(shù)據(jù)。 機(jī)組乘員上傳數(shù)據(jù)后，飛行計(jì)劃將通過另一種稱為“多動能控制顯示單元”（MCDU）的獨(dú)立顯示方式進(jìn)行訪問。機(jī)組乘員可以通過位于顯示器四周的周邊鍵選擇具體模式，輸入或者編輯數(shù)據(jù)，或者直接確認(rèn)飛行計(jì)劃中的數(shù)據(jù)。這種模式下，F(xiàn)MS將驅(qū)動FCU為飛行計(jì)劃的每個航段選擇垂直速度、飛行航路軌跡或者空速。一部FMS將包含一個ARINC一424型標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，其中包含無線電助航系統(tǒng)、航路點(diǎn)、航空港、跑道、機(jī)場、等待航線、機(jī)場到達(dá)／離開和下降程序、航空公司航路等數(shù)據(jù)。比如，F(xiàn)MS將自動查詢鄰近的助航系統(tǒng)，并選擇適當(dāng)?shù)腣OR頻率，從而降低飛行員的工作量。該數(shù)據(jù)庫還將包含飛機(jī)及其配裝發(fā)動機(jī)的詳細(xì)性能數(shù)據(jù)。

編輯推薦

《飛行仿真原理》可以作為從事實(shí)時飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、開發(fā)與應(yīng)用的廣大工程技術(shù)人員和科研人員的參考書，也可以作為飛行動力學(xué)、航空電子學(xué)、自動控制等相關(guān)專業(yè)高年級本科生、研究生的教學(xué)用書。

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