第1期 罗熊等：基于分布式虚拟现实的高超声速飞行器仿真系统 ·103· 仿真系统，是高效模拟飞行过程的有效手段，这是目 X 前飞行仿真研究中的一个热点].面向高超声速 F(0.w.) Java与EA技术 飞行器，相应的分布式虚拟现实仿真系统还很缺乏， 实时场景 针对这一对象，进行这方面的研究很有意义. 生成 飞行数据坐标转换 用户 1仿真系统总体架构 VRML 用户 高超声速飞行器 虚拟 网络 1.1应用对象 姿态数据 飞行 环境 场景 这里选择高超声速飞行器X-38为原型对象， →用户 X-38是一种太空站成员返回飞行器(CRV)原型 动态仿真 演示 机（图1）.X-38机长7.31m,机高2.22m,翼展 3.81m,其外形借鉴了早期美国空军X-24A升力体 图3高超声速飞行器分布式虚拟仿真系统结构 的设计，同样是标志性的钝头锥无主翼形体回 Fig.3 Distributed virtual simulation system architecture of hyperson- ic vehicles (图2). 俯仰通道： [a=(w,sin a-w,cos a)tan B+w:-Y/(mucosB), United States la.=M-(I,-I)w,ω，]/八 (1) 偏航通道： [B=ω，sina+w,cosa+Z/(mw）, 图1高超声速飞行器(X-38)的飞行测试 (2) d,=M,-(L.-I)w.w]/1, Fig.1 Flight test of a hypersonic vehicle X-38 滚动通道： [y=@,-tang (o,cos y-w.siny), (3) o.=M.-(1.-I,)w,w,]/1 式中，αB和y分别为飞行器的攻角、侧滑角和滚动 角，w,0,和0：分别为三通道的角速度，9为俯仰 角，Y、Z分别为升力和侧向力，v为飞行速度.气动 力矩与舵面偏角6.8，和6之间的关系可写为如下 的线性形式m: 图2X-38三维视图 M B Fig.2 3D structure of X-38 M, =M M. (4) 1.2系统结构 M」 L8.] 这里采用VRML(virtual reality modeling language)技术描述高超声速飞行器飞行场景，结合 式中，M.、Ms均为关于飞行器姿态、角速度及飞行 Java Applet和EAI接口控制技术，建立了以客户机/ 速度的多元函数.显然，这是一个强耦合、强非线性 服务器(C/S)为基础的高超声速飞行器分布式仿真 的动力学系统 系统.图3是系统结构图 3分布式仿真中关键技术的实现 2高超声速飞行器姿态动力学模型 3.1基于VRML的高超声速飞行器三维场景的建 考虑到飞行器航程制导的需要以及控制器设计 立与动作事件的建模 的方便，这里特别将X-38此类的高超声速飞行器 VRML是一种用在Internet和Web超链接上 姿态动力学方程写成俯仰、偏航和滚动三通道的 的、多用户交互的、独立于计算机平台的、网络虚拟 形式圆 现实建模语言.它是描述虚拟环境中场景的一种标第 1 期 罗 熊等: 基于分布式虚拟现实的高超声速飞行器仿真系统 仿真系统，是高效模拟飞行过程的有效手段，这是目 前飞行仿真研究中的一个热点［4--5］． 面向高超声速 飞行器，相应的分布式虚拟现实仿真系统还很缺乏， 针对这一对象，进行这方面的研究很有意义． 1 仿真系统总体架构 1. 1 应用对象 这里选择高超声速飞行器 X--38 为原型对象， X--38 是一种太空站成员返回飞行器( CRV) 原型 机［3］( 图 1) ． X--38 机长 7. 31 m，机高 2. 22 m，翼展 3. 81 m，其外形借鉴了早期美国空军 X--24A 升力体 的设 计，同样是标志性 的钝头锥无主翼形体［4］ ( 图 2) ． 图 1 高超声速飞行器( X--38) 的飞行测试 Fig． 1 Flight test of a hypersonic vehicle X--38 图 2 X--38 三维视图 Fig． 2 3D structure of X--38 1. 2 系统结构 这 里 采 用 VRML ( virtual reality modeling language) 技术描述高超声速飞行器飞行场景，结合 Java Applet 和 EAI 接口控制技术，建立了以客户机/ 服务器( C /S) 为基础的高超声速飞行器分布式仿真 系统． 图 3 是系统结构图． 2 高超声速飞行器姿态动力学模型 考虑到飞行器航程制导的需要以及控制器设计 的方便，这里特别将 X--38 此类的高超声速飞行器 姿态动力学方程写成俯仰、偏航和滚动三通道的 形式［6］． 图 3 高超声速飞行器分布式虚拟仿真系统结构 Fig． 3 Distributed virtual simulation system architecture of hyperson￾ic vehicles 俯仰通道: α · = ( ωy sin α － ωx cos α) tan β + ωz － Y /( mvcosβ) ， ω · z =［Mz － ( Iy － Ix ) ωxωy ］/Iz { ． ( 1) 偏航通道: β · = ωx sin α + ωy cos α + Z /( mv) ， ω · y =［My － ( Ix － Iz) ωzωx ］/Iy { . ( 2) 滚动通道: γ · = ωx － tanφ( ωy cos γ － ωzsinγ) ， ω · x =［Mx － ( Iz － Iy ) ωzωy ］/Ix { ． ( 3) 式中，α、β 和 γ 分别为飞行器的攻角、侧滑角和滚动 角，ωx、ωy 和 ωz 分别为三通道的角速度，φ 为俯仰 角，Y、Z 分别为升力和侧向力，v 为飞行速度． 气动 力矩与舵面偏角 δx、δy 和 δz 之间的关系可写为如下 的线性形式［7］: Mx My M          z = Mα α β ωx ωy ω                z + Mδ δx δy δ          z ． ( 4) 式中，Mα、Mδ 均为关于飞行器姿态、角速度及飞行 速度的多元函数． 显然，这是一个强耦合、强非线性 的动力学系统． 3 分布式仿真中关键技术的实现 3. 1 基于 VRML 的高超声速飞行器三维场景的建 立与动作事件的建模 VRML 是一种用在 Internet 和 Web 超链接上 的、多用户交互的、独立于计算机平台的、网络虚拟 现实建模语言． 它是描述虚拟环境中场景的一种标 ·103·