【RL+空战】学习记录03：基于JSBSim构造简易空空导弹模型，并结合python接口调用测试

昵称已被吞噬~‘(*@﹏@*)’~2026-01-09 20:57

JSBSim 导弹气动模型 xml 文件

xml 复制代码 
<?xml version="1.0"?>
<?xml-stylesheet type="text/xsl" href="http://jsbsim.sourceforge.net/JSBSim.xsl"?>

<!--
    JSBSim 飞行动力学模型配置文件
    模型名称: AIM-9
    用途: 高机动红外制导空空导弹的标准物理基线模型
    特点:
      - 无机翼气动布局 (小展弦比)
      - 高过载、高舵效
      - 火箭发动机推进
    注意: 所用数据并非真实数据，部分数据是接合 DeepSeek 生成的假数据，仅用于模拟学习
-->
<fdm_config name="AIM-9X" version="2.0" release="BETA"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xsi:noNamespaceSchemaLocation="http://jsbsim.sourceforge.net/JSBSim.xsd">

    <!-- ================= 文件头信息 ================= -->
    <fileheader>
        <!-- UP -->
        <author>昵称已被吞噬QAQ</author>

        <!-- 模型描述，JSBSim GUI / 日志中可见 -->
        <description>AIM-9X Standard Physics Baseline</description>
    </fileheader>

    <!-- ================= 几何与参考面积 ================= -->
    <!--
        metrics 定义的是"等效气动几何参数"
        并不一定是真实几何，而是用于气动力计算的参考量
    -->
    <metrics>
        <!-- 等效参考面积 Sw，用于升力 / 阻力 / 侧力 -->
        <wingarea  unit="FT2"> 0.85 </wingarea>

        <!-- 等效翼展 b，用于滚转 / 偏航力矩 -->
        <wingspan  unit="FT" > 0.92 </wingspan>

        <!-- 等效平均气动弦长 c̄，用于俯仰力矩 -->
        <chord     unit="FT" > 3.0  </chord>

        <!-- 等效水平尾翼面积（主要影响俯仰稳定） -->
        <htailarea unit="FT2"> 0.25 </htailarea>

        <!-- 等效垂直尾翼面积（主要影响偏航稳定） -->
        <vtailarea unit="FT2"> 0.25 </vtailarea>
    </metrics>

    <!-- ================= 质量与惯性 ================= -->
    <!--
        mass_balance 决定刚体动力学行为
        对导弹而言:
          - 转动惯量远比飞机重要
          - Iyy / Izz 决定过载能力和转弯半径
    -->
    <mass_balance>
        <!-- 空重 (不含燃料变化)，单位磅 -->
        <emptywt unit="LBS" > 175.0 </emptywt>

        <!--
           转动惯量估算说明:
           - Ixx: 沿弹体轴线（滚转）
                  导弹细长，对滚转不敏感
           - Iyy/Izz: 俯仰 / 偏航惯量
                  决定最大角加速度和瞬态响应
           注意: 这部分是瞎给的，为了平衡一些东西进行了调整
        -->
        <ixx unit="SLUG*FT2"> 1600.0 </ixx>
        <iyy unit="SLUG*FT2"> 1600.0 </iyy>
        <izz unit="SLUG*FT2"> 1600.0 </izz>

        <!--
            质心位置
            这里设在机体系原点
            对导弹建模是常见简化
        -->
        <location name="CG" unit="IN">
            <x> 0 </x>
            <y> 0 </y>
            <z> 0 </z>
        </location>
    </mass_balance>

    <!-- ================= 地面接触模型 ================= -->
    <!--
        ground_reactions 仅用于:
          - 发射前
          - 地面测试
        对空中飞行基本无影响
    -->
    <ground_reactions>
        <contact type="STRUCTURE" name="Belly">

            <!-- 接触点位置（机腹） -->
            <location unit="IN">
                <x>60</x>
                <y>0</y>
                <z>-3</z>
            </location>

            <!-- 导弹无滑跑需求，摩擦设为 0 -->
            <static_friction> 0.0 </static_friction>
            <dynamic_friction> 0.0 </dynamic_friction>

            <!-- 接触弹簧刚度 -->
            <spring_coeff unit="LBS/FT"> 1000.0 </spring_coeff>

            <!-- 接触阻尼，防止数值震荡 -->
            <damping_coeff unit="LBS/FT/SEC"> 100.0 </damping_coeff>
        </contact>
    </ground_reactions>

    <!-- ================= 外部作用力 ================= -->
    <!--
        external_reactions 用于:
          - 火箭发动机
          - 推进器
          - 非气动外力
    -->
    <external_reactions>

        <!-- 火箭推力 -->
        <force name="RocketThrust" frame="BODY">

            <!-- 推力作用点，靠近尾部 -->
            <location unit="IN">
                <x>118</x>
                <y>0</y>
                <z>0</z>
            </location>

            <!-- 推力方向：沿机体 X 正方向 -->
            <direction>
                <x>1</x>
                <y>0</y>
                <z>0</z>
            </direction>

            <!--
                推力时间函数:
                  - 恒定推力
                  - 5 秒后自动归零
            -->
            <function>
                <product>
                    <!-- 推力大小 (lbs) -->
                    <value> 2500.0 </value>

                    <!-- 燃烧时间限制 -->
                    <lt>
                        <property>simulation/sim-time-sec</property>
                        <value> 5.0 </value>
                    </lt>
                </product>
            </function>
        </force>
    </external_reactions>

    <!-- ================= 飞控系统 (FCS) ================= -->
    <!--
        飞控系统职责:
          - 将归一化指令 (-1 ~ 1)
          - 映射为真实舵面偏转角 (rad)
    -->
    <flight_control name="FCS">

        <!-- 俯仰控制通道 -->
        <channel name="Pitch">
            <pure_gain name="Elevator Control">
                <input> fcs/elevator-cmd-norm </input>
                <gain> 0.2 </gain>
                <output> fcs/elevator-pos-rad </output>
            </pure_gain>
        </channel>

        <!-- 滚转控制通道 -->
        <channel name="Roll">
            <pure_gain name="Aileron Control">
                <input> fcs/aileron-cmd-norm </input>
                <gain> 0.01 </gain>
                <output> fcs/left-aileron-pos-rad </output>
            </pure_gain>
        </channel>

        <!-- 偏航控制通道 -->
        <channel name="Yaw">
            <pure_gain name="Rudder Control">
                <input> fcs/rudder-cmd-norm </input>
                <gain> 0.2 </gain>
                <output> fcs/rudder-pos-rad </output>
            </pure_gain>
        </channel>
    </flight_control>

    <!-- ================= 气动力模型 ================= -->
    <!--
        aerodynamics:
          - 所有气动力/力矩均通过 q̄*S*(...) 构造
          - 系数已"物理化"，避免纯数值炸飞
    -->
    <aerodynamics>

        <!-- ========== 升力轴 ========== -->
        <axis name="LIFT">

            <!-- α 升力 -->
            <function name="aero/coefficient/CLalpha">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>aero/alpha-rad</property>
                    <!-- 高升力斜率，适配高迎角导弹 -->
                    <value> 12.0 </value>
                </product>
            </function>

            <!-- 升降舵升力 -->
            <function name="aero/coefficient/CLde">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>fcs/elevator-pos-rad</property>
                    <value> 3.0 </value>
                </product>
            </function>
        </axis>

        <!-- ========== 阻力轴 ========== -->
        <axis name="DRAG">

            <!-- 基础阻力，随马赫数变化 -->
            <function name="aero/coefficient/CD0">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <table>
                        <independentVar lookup="row">velocities/mach</independentVar>
                        <!--
                            体现跨音阻力突增
                        -->
                        <tableData>
                            0.00  0.04
                            0.80  0.04
                            0.95  0.09
                            1.05  0.10
                            1.20  0.08
                            2.00  0.06
                            4.00  0.05
                        </tableData>
                    </table>
                </product>
            </function>

            <!-- 诱导阻力 ~ α² -->
            <function name="aero/coefficient/CDi">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>aero/alpha-rad</property>
                    <property>aero/alpha-rad</property>
                    <value> 3.0 </value>
                </product>
            </function>
        </axis>

        <!-- ========== 侧向力 ========== -->
        <axis name="SIDE">

            <!-- 侧滑稳定 -->
            <function name="aero/coefficient/CYbeta">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>aero/beta-rad</property>
                    <value> -12.0 </value>
                </product>
            </function>

            <!-- 偏航舵侧力 -->
            <function name="aero/coefficient/CYdr">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>fcs/rudder-pos-rad</property>
                    <value> 3.0 </value>
                </product>
            </function>
        </axis>

        <!-- ========== 滚转力矩 ========== -->
        <axis name="ROLL">

            <!-- 滚转阻尼 -->
            <function name="aero/coefficient/Clp">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>metrics/bw-ft</property>
                    <property>aero/bi2vel</property>
                    <property>velocities/p-aero-rad_sec</property>
                    <value> -20.0 </value>
                </product>
            </function>

            <!-- 副翼滚转 -->
            <function name="aero/coefficient/Clda">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>metrics/bw-ft</property>
                    <property>fcs/left-aileron-pos-rad</property>
                    <value> 10.0 </value>
                </product>
            </function>
        </axis>

        <!-- ========== 俯仰力矩（核心） ========== -->
        <axis name="PITCH">

            <!-- 静稳定 -->
            <function name="aero/coefficient/Cmalpha">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>metrics/cbarw-ft</property>
                    <property>aero/alpha-rad</property>
                    <value> -8.0 </value>
                </product>
            </function>

            <!-- 升降舵俯仰 -->
            <function name="aero/coefficient/Cmde">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>metrics/cbarw-ft</property>
                    <property>fcs/elevator-pos-rad</property>
                    <value> -15.0 </value>
                </product>
            </function>

            <!-- 俯仰阻尼 -->
            <function name="aero/coefficient/Cmq">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>metrics/cbarw-ft</property>
                    <property>aero/ci2vel</property>
                    <property>velocities/q-aero-rad_sec</property>
                    <value> -100.0 </value>
                </product>
            </function>
        </axis>

        <!-- ========== 偏航力矩 ========== -->
        <axis name="YAW">

            <!-- 方向稳定 -->
            <function name="aero/coefficient/Cnbeta">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>metrics/bw-ft</property>
                    <property>aero/beta-rad</property>
                    <value> 8.0 </value>
                </product>
            </function>

            <!-- 偏航舵 -->
            <function name="aero/coefficient/Cndr">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>metrics/bw-ft</property>
                    <property>fcs/rudder-pos-rad</property>
                    <value> -15.0 </value>
                </product>
            </function>

            <!-- 偏航阻尼 -->
            <function name="aero/coefficient/Cnr">
                <product>
                    <property>aero/qbar-psf</property>
                    <property>metrics/Sw-sqft</property>
                    <property>metrics/bw-ft</property>
                    <property>aero/bi2vel</property>
                    <property>velocities/r-aero-rad_sec</property>
                    <value> -100.0 </value>
                </product>
            </function>
        </axis>

    </aerodynamics>
</fdm_config>

测试用 Python 代码

python 复制代码 
import jsbsim
import os
import math
import numpy as np

def run_straight_test():
    root_dir = os.path.abspath(os.getcwd())
    fdm = jsbsim.FGFDMExec(root_dir)
    fdm.set_aircraft_path(os.path.join(root_dir, "aircraft"))

    fdm.load_model("aim9x")

    fdm['ic/lat-gc-deg'] = 37.2
    fdm['ic/long-gc-deg'] = -115.8
    fdm['ic/h-sl-ft'] = 15000.0
    fdm['ic/psi-true-deg'] = 90.0
    fdm['ic/theta-deg'] = 0.0
    
    target_init_vel = 928.0 
    fdm['ic/u-fps'] = target_init_vel
    
    fdm.run_ic()

    # ACMI
    acmi_file = open("straight_test.acmi", "w", encoding="utf-8")
    acmi_file.write("FileType=text/acmi/tacview\n")
    acmi_file.write("FileVersion=2.1\n")
    acmi_file.write("0,ReferenceTime=2023-10-27T12:00:00Z\n")
    acmi_file.write("1,Name=AIM-9X-Basic,Type=Missile,Color=White\n")
    
    dt = 1 / 60
    fdm.set_dt(dt)
    total_times = 180

    print(
        f"{'Time':>5} | {'Mach':>4} | {'Alt':>6} | "
        f"{'Pitch':>6} | {'AoA':>6} | "
        f"{'Nx':>6} | {'Ny':>6} | {'Nz':>6} | {'NT':>6}"
    )
    print("-" * 80)

    for i in range(int(total_times / dt)): 
        t = fdm['simulation/sim-time-sec']

        # === 测试逻辑 ===
        if t < 5.0:
            cmd = [0.0, 0.0, 0.0] # 平飞（发动机点火加速阶段）
        elif t < 10.0:
            cmd = [-0.2, 0.0, 1.0]  # 测试偏航（左）
        elif t < 15.0:
            cmd = [-0.2, 0.0, -1.0] # 测试偏航（右）
        elif t < 24.0:
            cmd = [-0.2, 0.0, 0.0] # 测试俯仰（上）
        elif t < 40.0:
            cmd = [0.2, 0.0, 0.0] # 测试俯仰（下，拉平）
        elif t < 68:
            cmd = [-0.2, 0.0, 1.0] # 测试偏航（左）
        elif t < 78:
            cmd = [-0.2, 0.0, -1.0] # 测试偏航（右）
        elif t < 120:
            cmd = [0.2, 0.0, 0.0] # 测试俯仰（拉平）
        elif t < 150:
            cmd = [1.0, 1.0, -1.0] # 测试滚转
        else:
            cmd = [-1.0, 0.0, 0.0]  # 失速，触底爆炸，boom!!!

        cmd = np.array(cmd)
        fdm['fcs/elevator-cmd-norm'] = cmd[0]
        fdm['fcs/aileron-cmd-norm'] = cmd[1]
        fdm['fcs/rudder-cmd-norm'] = cmd[2]

        fdm.run()
        
        # 记录
        if i % 20 == 0:
            mach = fdm['velocities/mach']
            alt = fdm['position/h-sl-ft']
            pitch = fdm['attitude/theta-deg']
            aoa = fdm['aero/alpha-deg']

            nx = fdm['accelerations/n-pilot-x-norm']
            ny = fdm['accelerations/n-pilot-y-norm']
            nz = fdm['accelerations/n-pilot-z-norm']
            
            n_total = math.sqrt(nx*nx + ny*ny + nz*nz)

            print(
                f"{t:5.1f} | {mach:4.2f} | {alt:6.0f} | "
                f"{pitch:6.1f} | {aoa:6.1f} | "
                f"{nx:6.1f} | {ny:6.1f} | {nz:6.1f} | {n_total:6.1f}"
            )
            
        # ACMI
        m_lon = fdm['position/long-gc-deg']
        m_lat = fdm['position/lat-gc-deg']
        m_alt = fdm['position/h-sl-meters']
        roll = fdm['attitude/phi-deg']
        pitch = fdm['attitude/theta-deg']
        yaw = fdm['attitude/psi-deg']
        
        acmi_file.write(f"#{t:.2f}\n")
        acmi_file.write(f"1,T={m_lon:.7f}|{m_lat:.7f}|{m_alt:.2f}|{roll:.2f}|{pitch:.2f}|{yaw:.2f}\n")

if __name__ == "__main__":
    run_straight_test()

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