在虚幻引擎里进行飞行仿真模拟-JSBSim

孙潜

在前面的文章中，我们探讨了当前在虚幻引擎（Unreal Engine）里进行飞行仿真模拟的行业现状，在深入飞行仿真实践之前，有必要掌握一些技术背景知识。本文将详细介绍JSBSim模型的关键技术要点。


JSBSim介绍

飞行动力学是研究飞行器在空中运动规律的科学，它涉及到飞行器在空中飞行时的受力、运动状态以及控制等多方面。飞行动力学是航空航天工程中的一个重要分支，它与空气动力学、结构力学、控制理论等多个学科紧密相关。要实现精确的飞行仿真模拟，必定是需要结合真实物理环境、真实的飞行器参数来进行的，这样就离不开飞行动力模型的支持。

JSBSim 是一个飞行动力学模型 FDM（Flight Dynamics Model），其定义了飞行器（例如：飞机、火箭等等）在各种控制力（例如：发动机引擎、机翼等）和自然力（例如：风力、重力等）作用下运动的物理和数学模型。

JSBSim 模型是用C++编写的，支持跨平台调用。作为一个控制台应用程序，它没有图形化界面，但是可以和UE、flightgear等其他可视化引擎进行结合使用。更多详细信息可以查看 Github 仓库：https://github.com/JSBSim-Team/jsbsim。


JSBSim 具有如下特性

非线性6自由度控制：提供了更精确的飞行动力学模拟和控制；

XML 文件参数配置：可以通过 XML 文件详细配置飞行器的操控系统、空气动力学、推进、起落架布置等；

内置了精确的地球模型：

考虑了地球自转对运动方程的影响，采用了科里奥利和离心加速度模型；

使用了 WGS84 坐标系来构建了地球椭球模型；

根据国际大气标准（1976）建立的大气模型；

模拟结果输出多样：结果数据支持多种形式输出，包括输出到文件存储、屏幕显示或者 Scoket 消息等。

支持其它语言的 SDK

JSBSim 官方提供了支持 Python、Matlab、UE 三个平台的 SDK 库：

Python SDK，允许在 Python 中调用模型功能，和 C++ 完全一致；

Matlab SDK，提供在在 Matlab 里调用模型的接口；

UE SDK，一个虚幻引擎插件，能够把 UE 的虚拟环境和飞行动力学模型结合起来；

由于模型支持的输入和输出都很灵活，所以用 SDK 可以很方便地与各种可视化平台、软件进行集成。
JSBSim 现有的应用

虚幻引擎的 Antoinette 项目：创建下一代飞行模拟器的工具；

各种飞行模拟软件：FlightGear, OutTerra, Skybolt Engine；

SITL 无人机自动驾驶测试：ArduPilot, PX4 Autopilot, Paparazzi；

机器学习飞机控制：gym-jsbsim；

DARPA虚拟空战比赛：有一个AI在与空军战斗机的五轮空战模拟中都胜利了 (参见 YouTube 视频)；

如何使用 JSBSim

在虚幻引擎里面使用 JSBSim，可以参考官方的案例，使用其提供的 UE 插件。可以从其 GitHub 官方仓库中的 UnrealEngine 文件夹里获取 UE 插件，编译之后直接预览UE项目。本系列后续文章将围绕这个插件进行详细介绍。

当然，也可以直接在 C++项目中使用 JSBSim，通过 C++ API 的方式调用，如果使用 UE 平台进行开发，也是可以直接调用其 C++ API 的。

想立即体验飞行的读者，也可以下载 FlightGear 这个免费的模拟器，安装之后就可以直接体验翱翔天空的感觉。

如果要在其它平台、开发环境中使用 JSBSim，可以下载或者自己编译其二进制安装包来使用。在 Windos 环境下，可以下载官方打包好的 exe 程序，这是一个控制台程序，没有图形界面。安装后，可以使用 JSBSim.exe 运行模拟，也可以使用 aeromatic.exe 交互式地创建自己的飞机模型。Ubuntu 环境下也有对应的 Debian 包来使用。

安装好之后，在根目录的 Data 文件夹中可以看到自带的飞行器数据包（如果没有，也可以自行下载），里面存放了各类飞行器的XML配置文件。由于JSBSim是飞行动力学模型，调整这些参数时必须符合物理定律，否则飞行器将无法正常飞行。