第9卷第1期 智能系统学报 Vol.9 No.1 2014年2月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Feb.2014 D0:10.3969/j.issn.1673-4785.201307041 网络出版地址：http:/www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-4785.201307041.html 风切变下民用飞机起飞三维可视化仿真 罗琪楠，段海滨，严林芳 (1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院飞行器控制一体化技术重点实验室，北京100191：2.中国商用 飞机有限责任公司上海飞机设计研究院综合航电设计研究部，上海201210) 摘要：针对风切变对民用飞机起飞阶段恶劣影响这一瓶颈性问题，设计开发了一个基于MATLAB虚拟现实环境的 民用飞机三维可视化仿真平台。通过建立微下击暴流、过山气流和大气紊流的风场模型，分析复杂风切变对民用飞 机起飞的影响，并给出相应的影响公式。利用MATLAB Simulink良好的开放性和扩展性，搭建了基于符号控制的民 用飞机控制系统，开发了风切变的民机起飞三维可视化仿真软件。数字仿真实验验证了该方法的可行性和有效性。 关键词：民用飞机；风切变：符号控制；三维可视化仿真 中图分类号：TP391.9:V249文献标志码：A文章编号：1673-4785(2014)01-0019-07 中文引用格式：罗琪楠，段海滨，严林芳.风切变下民用飞机起飞三维可视化仿真[J].智能系统学报，2014,9(1)：19-25 英文引用格式：LUO Qinan,DUAN Haibin,YAN Linfang.Three-dimensional visual simulation of civil aircraft taking off in wind shear[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2014,9(1):19-25. Three-dimensional visual simulation of civil aircraft taking off in wind shear LUO Qinan',DUAN Haibin',YAN Linfang? (1.Science and Technology on Aircraft Control Laboratory,School of Automation Science and Electrical Engineering,Beihang Univer- sity,Beijing 100191,China;2.Integrated Avionics System Department,Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Commercial Aircraft Corporation of China Lid,Shanghai 201210,China) Abstract:Focusing on the problem of wind shear disturbance during the taking off procedure of civil aircrafts,a MATLAB based three-dimensional visual simulation platform has been developed.Based on the description of the models of microburst,mountain airflow and turbulence,the influences of complex wind shear during taking off are analyzed,and the related equations are also deduced.The symbolic control-based flight control system for taking off in the wind shear is designed.Taking advantages of the expansibility and open character of the MATLAB Simulink, an interactive software is also developed.Experimental results verified the feasibility and effectiveness of our devel- oped platform. Keywords:civil aircraft;wind shear;symbolic control;three-dimensional visual simulation 风切变广泛存在于机场环境，已对民用飞机的大飞机已列为国家重大专项。国内外许多先进机场 起飞/着陆安全构成了巨大威胁，是造成众多飞行事 也增加了应对低空风切变的相应设备，然而恶劣气 故的主要原因之一。由于大型民用飞机机体庞大、 象环境在起飞/着陆阶段对飞机的威胁却始终存在。 质量大，因此极易受到风切变的影响而产生飞行轨 据不完全统计，过去20年间与风切变有关的飞行事 迹的变化。而大型飞机状态响应较为缓慢，在恶劣 故都发生在起飞和着陆阶段)，起飞/着陆阶段中 的风切变下极易发生操纵不当而引发恶性事故。 复杂大气扰动造成的飞行事故日益引起航空界的密 近年来，航空技术发展突飞猛进，特别是我国的 切关注，已经成为一个亟待解决的关键难题)。 风切变对航空活动安全危害较大，各国对风切 收稿日期：2013-07-17.网络出版日期：2014-02-20. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61273054,60975072)：国家 变的相关研究投入了巨大的人力、物力和财力，进行 “973”计划资助项目(2014CB046401):航空科学基金资助 风切变下民用飞机的综合研究与试验。我国目前正 项目(20135851042). 通信作者：段海滨.E-mail:hbduan(@buaa.edu.cm. 在开展的大型飞机重大科技专项也把风切变列为关第 ９ 卷第 １ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．９ №．１ ２０１４ 年 ２ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｅｂ． ２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０７０４１ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｏｉ ／ １０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０７０４１．ｈｔｍｌ 风切变下民用飞机起飞三维可视化仿真 罗琪楠１ ，段海滨１ ，严林芳２ （１． 北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院 飞行器控制一体化技术重点实验室，北京 １００１９１； ２． 中国商用 飞机有限责任公司 上海飞机设计研究院 综合航电设计研究部，上海 ２０１２１０） 摘 要：针对风切变对民用飞机起飞阶段恶劣影响这一瓶颈性问题，设计开发了一个基于 ＭＡＴＬＡＢ 虚拟现实环境的 民用飞机三维可视化仿真平台。 通过建立微下击暴流、过山气流和大气紊流的风场模型，分析复杂风切变对民用飞 机起飞的影响，并给出相应的影响公式。 利用 ＭＡＴＬＡＢ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 良好的开放性和扩展性，搭建了基于符号控制的民 用飞机控制系统，开发了风切变的民机起飞三维可视化仿真软件。 数字仿真实验验证了该方法的可行性和有效性。 关键词：民用飞机；风切变；符号控制；三维可视化仿真 中图分类号： ＴＰ３９１．９；Ｖ２４９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１４）０１⁃００１９⁃０７ 中文引用格式：罗琪楠，段海滨，严林芳．风切变下民用飞机起飞三维可视化仿真［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１４， ９（１）： １９⁃２５． 英文引用格式：ＬＵＯ Ｑｉｎａｎ， ＤＵＡＮ Ｈａｉｂｉｎ， ＹＡＮ Ｌｉｎｆａｎｇ． Ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｉｓｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ ｔａｋｉｎｇ ｏｆｆ ｉｎ ｗｉｎｄ ｓｈｅａｒ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１４， ９（１）： １９⁃２５． Ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｉｓｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ ｔａｋｉｎｇ ｏｆｆ ｉｎ ｗｉｎｄ ｓｈｅａｒ ＬＵＯ Ｑｉｎａｎ １ ， ＤＵＡＮ Ｈａｉｂｉｎ １ ， ＹＡＮ Ｌｉｎｆａｎｇ ２ （１． Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ， Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒ⁃ ｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｖｉｏｎｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｌｔｄ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２１０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｗｉｎｄ ｓｈｅａｒ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔａｋｉｎｇ ｏｆｆ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔｓ， ａ ＭＡＴＬＡＢ ｂａｓｅｄ ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｉｓｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｕｒｓｔ， ｍｏｕｎｔａｉｎ ａｉｒｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ， ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｗｉｎｄ ｓｈｅａｒ ｄｕｒｉｎｇ ｔａｋｉｎｇ ｏｆｆ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｅｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｍｂｏｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ⁃ｂａｓｅｄ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔａｋｉｎｇ ｏｆｆ ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｈｅａｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔａｋｉｎｇ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｏｐｅｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ， ａｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｏｕｒ ｄｅｖｅｌ⁃ ｏｐｅｄ ｐｌａｔｆｏｒｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ； ｗｉｎｄ ｓｈｅａｒ； ｓｙｍｂｏｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｉｓｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期：２０１３⁃０７⁃１７． 网络出版日期：２０１４⁃０２⁃２０． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ ６１２７３０５４，６０９７５０７２）；国家 “９７３”计划资助项目（２０１４ＣＢ０４６４０１）；航空科学基金资助 项目（２０１３５８５１０４２）． 通信作者：段海滨． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｈｂｄｕａｎ＠ ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ． 风切变广泛存在于机场环境，已对民用飞机的 起飞／ 着陆安全构成了巨大威胁，是造成众多飞行事 故的主要原因之一。 由于大型民用飞机机体庞大、 质量大，因此极易受到风切变的影响而产生飞行轨 迹的变化。 而大型飞机状态响应较为缓慢，在恶劣 的风切变下极易发生操纵不当而引发恶性事故。 近年来，航空技术发展突飞猛进，特别是我国的 大飞机已列为国家重大专项。 国内外许多先进机场 也增加了应对低空风切变的相应设备，然而恶劣气 象环境在起飞／ 着陆阶段对飞机的威胁却始终存在。 据不完全统计，过去 ２０ 年间与风切变有关的飞行事 故都发生在起飞和着陆阶段［１］ ，起飞／ 着陆阶段中 复杂大气扰动造成的飞行事故日益引起航空界的密 切关注，已经成为一个亟待解决的关键难题［２］ 。 风切变对航空活动安全危害较大，各国对风切 变的相关研究投入了巨大的人力、物力和财力，进行 风切变下民用飞机的综合研究与试验。 我国目前正 在开展的大型飞机重大科技专项也把风切变列为关