无人机飞行仿真系统设计

第28卷第7期 兵工自动化 Vol. 28, No. 7 2009年7月 Ordnance Industry Automation Jul. 2009

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doi: 10.3969/j.issn.1006-1576.2009.07.028

无人机飞行仿真系统设计

李大雨，刘新文，汪新兵

（防空兵指挥学院 靶机教研室，河南 郑州 450052）

摘要：采用三维建模工具（如3DS MAX 等）建立无人机模型，然后利用VC++将提供的图形函数读入到OpenGL 所绘制的飞行场景中。由遥控发射机发出控制指令，通过计算机串口输入，控制无人机完成各种动作，从而实现无人机飞行状态的仿真。

关键词：无人机；三维模型；串口；仿真系统 中图分类号：N945.13; V279 文献标识码：A

Design for UAV Flight Simulation System

LI Da-yu, LIU Xin-wen, WANG Xin-bing

(Staff Room of Target Drone, Air Defense Forces Command Academy, Zhengzhou 450052, China)

Abstract: Use 3D modeling tools to build Unmanned Aerial Vehicle (UAV) model, then, by adopting VC++, the offering graphical function was read into flight scene that OpenGL plotted. UAV flight simulation can be realized through the following steps: the telecontrol transmitter sent control instructions, which later was inputted through serial ports of computers, thereby, actions of UAV could be fulfilled.

Keywords: UAV; 3D model; Serial port; Simulation system

0 引言

利用开放式图形函数库（OpenGL ）提供二维和三维建模、光线处理、投影变换、纹理映射等功能，可显示三维物体运动仿真画面。故提出无人机飞行三维仿真系统的设计方法，并以Visual C++和OpenGL 作为编程工具，将3DS 格式的三维飞机模型文件读入到飞行场景中，以仿真飞机的飞行特性。

1 无人机三维模型的读取

OpenGL 通过基本的几何图元—点、线及多边形来建立三维立体模型，比较繁琐。目前有许多优秀的三维图形软件如3DS MAX 、AUTOCAD 等，可方便地建立物体模型。把这些模型（3DS 格式）读取到OpenGL 中，再对其控制则是较理想的方法。

3DS 文件由许多块组成，每块首先描述其信息类别，即该块如何组成。块的前两项信息分别是块的ID 和块的长度（也即下一块相对于该块的字节偏移量），块的信息类别用ID 来识别。每个块实际上是一个层次结构，不同类型的块，其层次结构也不相同。3DS 文件中有一个基本块，其ID 是4D4D ，每个3DS 文件的开头都是由这样一个块构成的。基本块内的块成为主块。每个主块又包含各自的子块。

在OpenGL 中读取3DS 格式文件，可分为两步：文件内容的读入和3D 对象的绘制。

1) 文件内容的读入

根据3DS 文件的结构定义，采用面向对象的技术，把3DS 文件对3D 模型的描述信息进行数据抽象，先定义一系列的结构（struct ），用于存放对象的材质、位置矢量、关键帧等，后定义用于处理3DS 文件对象的CTriObject 类和处理对象序列的CTriList ，最后定义3DS 文件的读入类C3dsReader ，用于将3DS 文件中的内容读入到上述2个对象中。

2) 3D 对象的绘制

通过C3dsReader 类可以把3DS 文件的信息读入到CTriObject 类的对象中，对象的绘制就是根据CTriObject 类中保存的信息，用OpenGL 绘图命令绘制出来，对象的外部形状主要是采用三角形来近

似的，并通过OpenGL 赋予对象材质、纹理等效果。

2 串口控制指令的输入与判别

为了和遥控发射机进行串行通信，必须进行串

口程序设计，主要包括以下步骤：

1) 加载MSComm 控件

在VC++主界面中，单击“工程”- >“添加工程”，选择“Components and Controls ”命令，在弹出对话框中，打开“Registered ActiveX Controls ”文件夹，选择“Microsoft Communications Control, Version 6.0”选项，单击“Insert ”按钮确认。

2) 在单文档接口（SDI ）程序中使用控件 为了使创建的控件实例在整个程序中都可以访问，系统将其创建在视图类（CPlaneView ）的实例

收稿日期：2009-01-03；修回日期：2009-02-26 作者简介：李大雨（1978-），男，安徽人，国防科技大学硕士毕业，从事遥控靶机研究。

李大雨，等：无人机飞机仿真系统设计

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中，创建过程如下：

(1) 在视图类头文件PlaneView.h 中添加代码：

#include “mscomm.h”

//加入对MSComm 控件类头文件的引用 CMSComm myComm ;

//声明CMSComm 类的对象myComm Afx_msg void OnCommMscomm() ; //声明mycomm 控件事件的响应函数 DECLARE_EVENTSINK_MAP( ) //声明mycomm 控件的事件引用宏

(2) 在视图类的实现文件PlaneView.cpp 中，添加如下代码：

//myComm 控件引用宏的实现代码

BEGIN_EVENTSINK_MAP(CPlaneView, CView)

ON_EVENT(CPlaneView,myID,1,OnCommMscomm,VTS_NONE)

END_EVENTSINK_MAP()

(3) 在资源文件plane.rc2中添加如下代码：

#define myID 999

3) 初始化及打开串口

串口的初始化包括指定串口号、设置通信参数、指定接收缓冲区、设置数据获取方式及每次读取数据长度等内容，可根据需要合理配置，最后用代码myComm.SetPortOpen(1)打开串口。相关代码如下：

myComm.SetCommPort(1); //指定串口号

myComm.SetSettings("4800,n,8,1"); //通信参数设置

myComm.SetInBufferSize(512); //指定接收缓冲区大小

myComm.SetInBufferCount(0); //清空接收缓冲区

myComm.SetInputMode(1);

//设置数据获取方式（1为二进制方式，0为文本方式） myComm.SetInputLen(0);

//设置每次读取长度（0为全部读取）

myComm.SetRThreshold(3); //设置接收OnComm 事件门限值

myComm.SetPortOpen(true); //打开串口

4) 串口事件处理

串口事件处理包括实时接收串行数据、对数据格式进行判别，并产生相应的控制量等。利用控件的OnComm 事件接收数据，将接收到的VARIANT 类型的数据先转换成二进制类型，再转换为十六进制类型的数据，与预定义的指令编码格式相比较，从而产生相应的控制量。例如串口接收到的数据是"A5 DB 24"，与系统预定义的指令格式比较，发现是“左盘旋”指令格式也为"A5 DB 24"，则将无人机的横倾角度（plane_y_angle ）设置为40，表明要控制飞机以40°的角度左转弯飞行。

3 无人机飞行状态的控制

无人机的飞行状态通过以下变量来控制： 1) 位置坐标（plane_x, plane_y, plane_z ）

无人机位置由飞行速度结合转动角度来求得。其中：

plane_y=plane_y+sin(plane_z_angle)*plane_speed; //无人机位置的Y 坐标

plane_x=plane_x+cos(plane_z_angle)*cos(plane_y_angle )*plane_speed; //无人机位置的X 坐标

plane_z=plane_z-cos(plane_z_angle)*sin(plane_y_angle)*plane_speed; //无人机位置的Z 坐标

2) 机身转动状态（plane_x_angle, plane_y_angle, plane_z_angle ）

机身转动状态由遥控发射机输入的指令来控制。其中第1个变量（plane_x_angle ）为机身的横倾角度（绕飞机轴线的偏转角度），第2个变量（plane_y_angle ）为无人机的航向偏转角度，第3个变量（plane_z_angle ）为无人机的俯仰角度。

3) 速度（plane_speed ）

速度的初始值为0，在飞行过程中速度的变化由加速度（speed_a ）来调节。

（plane_speed=speed_a ） 4) 加速度（speed_a ）

在飞行中，加速度由发动机的拉力或推力(plane_F)、空气阻力(plane_f)和无人机质量(plane _m)、所受重力(plane_G)及无人机俯仰角度(plane _z_angle)决定，可用公式Speed_a=[plane_F- plane_f - plane_G* sin(plane_z_angle)]/ plane_m 表示。

通过实时解算飞机状态方程，可仿真飞机的飞行状况。图1是飞机飞行仿真效果图。

图1 飞行仿真效果图

4 结束语

通过对飞机实体、飞行场景和飞行姿态的变化等进行仿真，创建了一个逼真的飞行仿真环境。

参考文献：

[1] Richard S. Wright. OpenGL 超级宝典[M]. 徐波, 译. 北

京: 人民邮电出版社, 2005: 9.

[2] 和平鸽工作室. OpenGL 高级编程与可视化系统开发[M].

北京: 中国水利水电出版社, 2006. 1.

[3] 向世明. OpenGL 编程与实例[M]. 北京: 电子工业出版

社, 1999: 9.