CN107704681A - 一种飞机地面视野范围的计算方法 - Google Patents
一种飞机地面视野范围的计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种飞机地面视野范围的计算方法,通过提取有可能对飞行员视线产生遮挡的全部结构和设备特征点构成遮挡要素集,而后通过转换矩阵对遮挡要素集和眼点进行地面坐标转换后筛选得实际遮挡要素集,在计算从眼点到实际遮挡要素集中每一遮挡要素点连线的延长线与地面交点,进而得出特定飞机执行任务时特有姿态和位置下飞行员真实可见的地面视野范围,有效解决过去只依靠通用规范设计的飞机座舱不一定满足特定飞机使用要求的问题;同时设计人员可根据本方法的计算结果,在飞机设计初期即可判断座舱视野环境和执行任务时飞机轨迹姿态规划能否满足任务对地观察需求,以对座舱视野的遮挡要素和飞机任务轨迹姿态规划优化改进提供可信的数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及飞机视野范围算法技术领域,尤其涉及一种飞机地面视野范围的计算方法。
背景技术
飞行员在空中执行任务时,需对地面扫视发现目标、确定目标方位、辨识目标特征、确定飞机与目标关系,以决定下一步行动;在飞机准备起飞时,飞行员在地面操纵飞机,则需对跑道的地面情况进行观察确认,并与地勤人员进行手势上沟通,确认飞机与跑道状态是否适宜;这都需要飞机具有良好的座舱地面视野。
当前飞机的视野是根据相应飞机种类标准进行设计,认为满足标准的座舱视野,即满足飞机使用要求;但这种设计标准,只是对飞机通用需求的提炼,并没有考虑由于特定飞机不同特点、飞机配置状态、执行特定任务时飞行动作和姿态等因素影响;因此,无法确定根据通用标准设计的飞机视野能否满足飞机执行特定任务时对地面的视野需求,同时也无法为飞机因工程实施困难进行座舱视野裁剪提供依据。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种飞机地面视野范围的计算方法,以解决上述背景技术中的缺点。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
一种飞机地面视野范围的计算方法,假设
①地面坐标系用下标“g”表示
地面坐标系原点O固定在地面某点上,Oyg轴铅垂向上,为高度方向,Oxg和Ozg轴在水平面内与Oyg轴构成右手直角坐标系;
②机体坐标系用下标“b”表示
机体坐标系原点O在飞机重心上,纵轴Oxb指向机尾方向;竖轴Oyb在飞机对称面内指向机体上方,横轴Ozb垂直于飞机对称面指向右方;
③飞机姿态
飞机纵轴Oxb与地面之间的夹角为飞机俯仰角θ,机头上仰为正;
飞机纵轴Oxb在水平面上投影与Oxg之间夹角为偏航角ψ,机头左偏为正;
飞机对称面OxbOyb与通过飞机纵轴Oxb的铅垂面之间的夹角为滚转角γ,飞机右倾斜时为正;
④飞机位置
飞机重心在地面坐标系中位置为P,P点坐标为(Px,Py,Pz);
⑤眼点位置
飞行员眼点为两瞳孔中心点连线的中点,位置为E,E点坐标为(Ex,Ey,Ez);
具体步骤如下:
1)提取对飞行员视线有遮挡的遮挡要素集A
提取有可能对飞行员视线产生遮挡的全部结构和设备特征点,特征点的坐标集合即要提取的座舱遮挡要素集A,遮挡要素集A中包含遮挡要素数量定义为n,在机体坐标系下遮挡要素集为Ab,第i个遮挡要素点坐标为(Ax(i)b,Ay(i)b,Az(i)b);在地面坐标系下遮挡要素集为Ag,要素集中第i个要素点坐标为(Ax(i)g,Ay(i)g,Az(i)g);
2)将坐标数据转换至飞行员眼点E的矢量
输入飞机执行任务时的俯仰角θ、滚转角γ、偏航角ψ、重心P在地面坐标系中的坐标数据,及重心点P至飞行员眼点E的矢量
3)坐标转换
使用地面坐标与机体坐标系转换矩阵M将在机体坐标系下的遮挡要素集Ab和眼点Eb转换至地面坐标系下的Ag和Eg:
Ag=Ab*M;
Eg=Eb*M;
4)遮挡要素筛选
根据能见度限制,对遮挡要素集A进行筛选,得对地面有真实遮挡作用的实际遮挡要素集B,实际遮挡要素集B中第i个遮挡要素点坐标为(Bx(i),By(i),Bz(i)),当可见距离为R时,地面坐标系下任意遮挡要素A(i)g到眼点Eg的向量为则仅有地面坐标系中Y值小于h的点将对飞行员视线造成遮挡:
得通过筛选后对实际视线产生遮挡的实际遮挡要素集B;
5)计算交点
计算从眼点E到实际遮挡要素集B中每一遮挡要素点连线的延长线与地面Y=0的交点:
以判断遮挡要素产生的遮挡区域是否影响飞机任务的完成,若妨碍任务完成,则调整飞机遮挡要素集A和/或飞机执行任务时的姿态和位置,直至满足使用要求,所有遮挡要素与地面产生的交点集合即为飞机地面视野范围,最终输出飞机地面视野范围。
有益效果:本发明通过提取有可能对飞行员视线产生遮挡的全部结构和设备特征点构成遮挡要素集,而后通过转换矩阵对遮挡要素集和眼点进行地面坐标转换后筛选得实际遮挡要素集,在计算从眼点到实际遮挡要素集中每一遮挡要素点连线的延长线与地面交点,进而得出特定飞机执行任务时特有姿态和位置下飞行员真实可见的地面视野范围,有效解决过去只依靠通用规范设计的飞机座舱不一定满足特定飞机使用要求的问题;同时设计人员可根据本方法的计算结果,在飞机设计初期即可判断座舱视野环境和执行任务时飞机轨迹姿态规划能否满足任务对地观察需求,以对座舱视野的遮挡要素和飞机任务轨迹姿态规划优化改进提供可信的数据支持。
附图说明
图1是本发明的较佳实施例的计算流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体图示,进一步阐述本发明。
参见图1的一种飞机地面视野范围的计算方法,假设
①地面坐标系用下标“g”表示
地面坐标系原点O固定在地面某点上,Oyg轴铅垂向上,为高度方向,Oxg和Ozg轴在水平面内和Oyg轴构成右手直角坐标系;
②飞机机体坐标系用下标“b”表示
机体坐标系原点O在飞机重心上,纵轴Oxb指向指向机尾方向;竖轴Oyb在飞机对称面内指向机体上方,横轴Ozb垂直于飞机对称面指向右方;
③飞机姿态
飞机纵轴Oxb与地面之间的夹角为飞机俯仰角θ,机头上仰为正;
飞机纵轴Oxb在水平面上投影与Oxg之间夹角为偏航角ψ,机头左偏为正;
飞机对称面OxbOyb与通过飞机纵轴Oxb的铅垂面之间的夹角为滚转角γ,飞机右倾斜时为正;
④飞机位置
飞机重心在地面坐标系中位置为P,P点坐标为(Px,Py,Pz)。
⑤眼点位置
飞行员眼点为两瞳孔中心点连线的中点,位置为E,E点坐标为(Ex,Ey,Ez)。
具体步骤如下:
1)提取对飞行员视线有遮挡的遮挡要素集A
座舱的遮挡要素,即有可能对飞行员视线产生遮挡的全部结构和设备,如飞机座舱结构、仪表板、遮光罩、平显结构、机头机翼等,对这些遮挡要素特征点进行选取,特征点的坐标集合即要提取的座舱遮挡要素集A,遮挡要素集A中包含遮挡要素数量定义为n,在机体坐标系下遮挡要素集为Ab,第i个遮挡要素点坐标为(Ax(i)b,Ay(i)b,Az(i)b);在地面坐标系下遮挡要素集为Ag,要素集中第i个要素点坐标为(Ax(i)g,Ay(i)g,Az(i)g);
2)将坐标数据转换至飞行员眼点E的矢量
进行静态分析时,直接输入待分析状态飞机重心在地面坐标系中位置P和飞机的俯仰角θ、滚转角γ、偏航角ψ,以及飞行员眼点和飞机重心的矢量,飞行员眼位既可以用设计眼点,也可以使用特定姿势下的眼位,眼点位置向量为E。
进行动态分析时,根据解算频率提取飞机重心位置、飞机姿态和眼点位置信息
输入飞机执行任务时的俯仰角θ、滚转角γ、偏航角ψ、重心P在地面坐标系中的坐标数据及重心点P至飞行员眼点E的矢量
3)坐标转换
使用地面坐标与机体坐标系转换矩阵M将在机体坐标系下的遮挡要素集Ab和眼点Eb转换至地面坐标系下的Ag和Eg:
Ag=Ab*M;
Eg=Eb*M;
4)遮挡要素筛选
根据能见度限制,对遮挡要素集A进行筛选,得对地面有真实遮挡作用的实际遮挡要素集B,实际遮挡要素集B中第i个遮挡要素点坐标为(Bx(i),By(i),Bz(i)),当可见距离为R时,地面坐标系下任意遮挡要素A(i)g到眼点Eg的向量为则仅有地面坐标系中Y值小于h的点将对飞行员视线造成遮挡:
得到通过筛选后对实际视线产生遮挡的实际遮挡要素集B;
5)计算交点
计算从眼点E到实际遮挡要素集B中每一遮挡要素点连线的延长线与地面Y=0的交点:
以判断遮挡要素产生的遮挡区域是否影响飞机任务的完成,若妨碍任务完成,则调整飞机遮挡要素集A和/或飞机执行任务时的姿态和位置,直至满足使用要求,所有遮挡要素与地面产生的交点集合C即为飞机地面视野范围,最终输出飞机地面视野范围C。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种飞机地面视野范围的计算方法,其特征在于,假设
①地面坐标系用下标“g”表示
地面坐标系原点O固定在地面某点上,Oyg轴铅垂向上,为高度方向,Oxg和Ozg轴在水平面内与Oyg轴构成右手直角坐标系;
②机体坐标系用下标“b”表示
机体坐标系原点O在飞机重心上,纵轴Oxb指向机尾方向;竖轴Oyb在飞机对称面内指向机体上方,横轴Ozb垂直于飞机对称面指向右方;
③飞机姿态
飞机纵轴Oxb与地面之间的夹角为飞机俯仰角θ,机头上仰为正;
飞机纵轴Oxb在水平面上投影与Oxg之间夹角为偏航角ψ,机头左偏为正;
飞机对称面OxbOyb与通过飞机纵轴Oxb的铅垂面之间的夹角为滚转角γ,飞机右倾斜时为正;
④飞机位置
飞机重心在地面坐标系中位置为P,P点坐标为(Px,Py,Pz);
⑤眼点位置
飞行员眼点为两瞳孔中心点连线的中点,位置为E,E点坐标为(Ex,Ey,Ez);
具体步骤如下:
1)提取对飞行员视线有遮挡的遮挡要素集A
提取有可能对飞行员视线产生遮挡的全部结构和设备特征点,特征点的坐标集合即要提取的座舱遮挡要素集A,遮挡要素集A中包含遮挡要素数量定义为n,在机体坐标系下遮挡要素集为Ab,第i个遮挡要素点坐标为(Ax(i)b,Ay(i)b,Az(i)b);在地面坐标系下遮挡要素集为Ag,要素集中第i个要素点坐标为(Ax(i)g,Ay(i)g,Az(i)g);
2)将坐标数据转换至飞行员眼点E的矢量
输入飞机执行任务时的俯仰角θ、滚转角γ、偏航角ψ、重心P在地面坐标系中的坐标数据,及重心点P至飞行员眼点E的矢量
3)坐标转换
使用地面坐标与机体坐标系转换矩阵M将在机体坐标系下的遮挡要素集Ab和眼点Eb转换至地面坐标系下的Ag和Eg:
4)遮挡要素筛选
根据能见度限制,对遮挡要素集A进行筛选,得对地面有真实遮挡作用的实际遮挡要素集B,实际遮挡要素集B中第i个遮挡要素点坐标为(Bx(i),By(i),Bz(i));
5)计算交点
计算从眼点E到实际遮挡要素集B中每一遮挡要素点连线的延长线与地面的交点,以判断遮挡要素产生的遮挡区域是否影响飞机任务的完成,若妨碍任务完成,则调整飞机遮挡要素集A和/或飞机执行任务时的姿态和位置,直至满足使用要求,所有遮挡要素与地面产生的交点集合即为飞机地面视野范围,最终输出飞机地面视野范围。
2.根据权利要求1所述的一种飞机地面视野范围的计算方法,其特征在于,步骤3)中,转换矩阵M在机体坐标系下的遮挡要素集Ab和眼点Eb转换关系是:
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Ag=Ab*M;
Eg=Eb*M。
3.根据权利要求1所述的一种飞机地面视野范围的计算方法,其特征在于,步骤4)中,遮挡要素筛选的执行步骤为:
当可见距离为R时,地面坐标系下任意遮挡要素A(i)g到眼点Eg的向量为则仅有地面坐标系中Y值小于h的点将对飞行员视线造成遮挡:
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得通过筛选后对实际视线产生遮挡的实际遮挡要素集B。
4.根据权利要求1所述的一种飞机地面视野范围的计算方法,其特征在于,步骤5)中,计算从眼点E到实际遮挡要素集B中每一遮挡要素点连线的延长线与地面Y=0的交点如下:
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