基于数字孪生的飞机伴飞系统设计与实现

作     者：邓劲礼 

作者单位：中国民用航空飞行学院 

学位级别：硕士

导师姓名：路晶;郭涛

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：数字孪生 飞机伴飞 Unity3D 固定翼飞行器 

摘      要：数字孪生技术是一种将现实世界物理系统与数字模型相结合的技术,通过实时监控和模拟来实现对物理系统的全面理解和优化,在飞行器伴飞领域有着广阔的应用前景,可以提高飞行器的性能和安全性,提高空中交通的效率,同时也为飞行员提供更好的培训与仿真环境。为探索数字孪生技术的实现,开展飞行器伴飞领域应用实践研究,本文提出了在固定翼飞行器上实施的飞机伴飞系统框架,以美国F/A-18C战斗攻击机的飞行状态监控应用场景为例,完成了飞机伴飞系统的设计、实现与验证。主要工作内容如下: 首先,针对固定翼飞行器数字孪生专用模型尚未解决的问题,提出面向固定翼飞行器的飞机伴飞系统框架,包含物理层、虚拟层、数据层和服务层。同时,针对不同固定翼飞行器存在较大差异导致系统可扩展性差的问题,结合面向对象编程中的抽象概念,提出将系统的虚拟层抽象并划分为虚拟孪生体和虚拟孪生视景两个部分的解决方案,从而为系统在固定翼飞行器领域的应用提供更加健壮和可靠的解决方案。 其次,完成虚拟层、数据层和服务层的创建。在虚拟层中,建立了虚拟孪生视景,为飞机伴飞系统提供真实的环境模拟,制作了飞机虚拟三维模型,为飞机的伴飞、仿真和监控提供重要的视觉信息,实现了飞机的物理仿真模型,为虚拟孪生系统提供高保真物理模型;在数据层中,完成了不同结构数据类型的数据库设计、搭建、管理以及伴飞数据的传输;在服务层中,完成了在人机交互界面设计和交互功能实现,实现了物理层、数据层和虚拟层的整合。其中在飞机物理仿真模型创建过程中,运用软件工程中功能模块化设计思想,设计物理仿真模型,包含运动模块、发动机模块等六个模块,与此同时针对传统固定翼物理仿真模型基于右手坐标系的建模方法与Unity 3D引擎采用左手坐标系的建模方法存在冲突的问题,论文基于左手坐标系重新构建固定翼物理仿真模型,包括运动学和动力学等模型,确保能在Unity 3D引擎中正确模拟固定翼飞行器的物理运动行为。 最后,通过系统实验与验证,完成了PID(Proportional-Integral-Differential)飞行控制器和一阶低通滤波器的参数整定,证明了飞机伴飞系统框架设计合理,功能实现完整,系统运行稳定,画面清晰流畅。