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飞行模拟器经典洗出算法参数

  为了保证 Stewart平台能够在其工作空间内为飞行员提供逼真动感 ,对经典洗出算法的参数选择方法进行了研究。通过对二阶、三阶线性高通滤波器和二阶线性低通滤波器阶跃响应的分析 ,得出滤波器参数与阶跃响应之间的解析关系。并以此提出一种基于滤波器时域响应的滤波器参数选择方法 ,即对滤波器的各个参数在某一范围内进行定步长搜索 ,从而选择产生最优时域响应的滤波器参数。利用飞机起飞期间的飞行仿真数据和 Stewart平台对其进行了实验验证 ,结果表明利用该方法选择的参数能充分利用 Stewart平台的工作空间为飞行员提供逼真动感。

  全任务 D 级飞行模拟器是一种典型的人在回路仿真设备 ,被广泛应用于飞行员训练和飞机研制领域。特别是在大型民用飞机的研制过程中 ,全任务 D 级飞行模拟器也是关键的仿真实验设备 ,在飞机操纵系统和人机接口的设计过程中起着重要作用 [ 1 ] 。

  为了利用模拟器运动系统有限的运动空间复现出飞机在真实飞行时的运动感觉 ,在飞行仿真计算出来的飞机运动与运动系统运动指令之间需要设计洗出算法 ,来保证飞行模拟器在完成一次突发运动后 ,能够缓慢回到中立位置 ,以便有足够的空间进行下一次运动 ,并且在返回过程中必须使飞行员感觉不到运动。这就要求运动平台以低于人的感觉门限 ( 0. 02g)的平缓运动完成运动的洗出。从而实现了利用有限运动空间实现无限空间的运动感觉的目的 [ 2 ] 。所以洗出算法性能的好坏直接影响动感模拟的逼真度。

  洗出算法应用较为广泛的主要有三种 : 经典洗出算法 [ 3, 4 ] 、最优控制洗出算法 [ 5 ]和协调自适应洗出算法 [ 6 ] 。经典滤波算法以其形式简洁、易于调整、执行速度快、反馈快速等优点至今仍被广泛应用在动感模拟领域中。该算法具有协调洗出功能 ,能够将线运动和角运动洗出为动感协调信号 ,提高了模拟器对低频动感信号的复现能力 [ 7 ] 。

  经典洗出算法的参数直接影响算法的性能 ,但目前对经典洗出算法参数的确定还主要依靠设计者的经验和通过飞行员的感受进行现场调试。由于算法参数比较多 ,所以调试复杂 ,并且很难发挥出 Stewart平台最大的动感复现能力。为解决此问题本文提出一种新的参数选择方法 :利用洗出算法中各种线性滤波器的时域响应解析表达式和遍历搜索的方法 ,根据运动平台对运动位移、运动速度和运动加速度的限制条件计算出洗出算法中的参数。使得洗出算法能够实现在运动平台有限的运动空间内为飞行员提供逼真的运动感觉。

  洗出算法的结构

  洗出算法一般将运动分为四种模式 :纵向模式 (包括纵向和俯仰两个自由度 ) ,侧向模式 (包括横向和滚转两个自由度 ) ,偏航模式以及上下模式。前两种模式能够使飞行模拟器倾斜一定的俯仰角和滚转角 ,利用重力加速度在模拟器体坐标系中的分量为飞行员提供持续的加速度感觉 [ 8 ] 。

  经典洗出算法的输入是飞机体坐标系下飞行员头部前庭处的比力和飞机三个方向的角速度。这是因为人体是通过前庭器官感觉到的比力和角速度来判断运动的。输出信号为飞行模拟器的位移和姿态角。

  本文通过对三阶线性滤波器时域响应过程的研究 ,得到三阶线性滤波器时域响应的解析表达式 ,并根据时域响应提出了经典洗出滤波器参数的计算方法。利用这种方法计算出的参数使洗出滤波器的输出平衡了复现加速度和运动空间的矛盾 ,在有限的运动空间之内 ,尽可能大的实现所要复现的加速度 ,得到了令人满意的效果。该参数选择方法可以根据不同机型的运动极限值选则不同机型的参数 ,同样可以根据不同的运动范围计算出适合不同运动平台的洗出滤波器参数。

  但洗出算法的缺点仍然存在 ,本文所提出的方法是利用最恶劣的加速度信号作为输入的 ,这样保证了在任何条件下不超出运动范围。但是对于其他的输入信号就显得有点保守。这也是在以后的工作中要解决的问题。

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