CN107764458A - 一种飞机操纵特性曲线生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机操纵特性曲线生成方法，属于航空工程测试技术领域。包括以下步骤：步骤一、对原始记录的时间序列操纵力数据集及其对应的操纵位移测量数据集分别进行数据平滑或数字滤波处理；步骤二、提取测量数据序列中斜率变化的数据分段点；步骤三、根据步骤二提取的数据分段点对测量数据进行分段，并对每段测量数据使用最小二乘法进行拟合，得到该段直线的斜率kj和截距bj，并以Lj(kj,bj)表示第j条直线；步骤四、计算相邻两条直线Lj(kj,bj)和Lj‑1(kj‑1,bj‑1)的交点Rj(xj，fj)，直到完成所有直线交点的计算，得到全部直线交点，并依次相连各直线交点得到由多段直线组成的操纵特性曲线。本发明不受试验人员主观意志影响，拟合效果好。
Description
技术领域
本发明属于航空工程测试技术领域，具体涉及一种飞机操纵特性曲线生成方法。
背景技术
飞机的设计研制、生产或维修中，常常需要测量飞机的操纵特性并生成图形曲线，如对驾驶杆操纵的歼击机，测量其杆力—杆位移特性，生成杆力—杆位移特性曲线，测量脚蹬力—脚蹬位移特性，生成脚蹬力—脚蹬位移特性曲线；而对驾驶盘(柱)操纵的运输机，测量其盘力—盘位移特性，生成盘力—盘位移特性曲线，或者是测量其柱力—柱位移特性，生成柱力—柱位移特性曲线，同样，测量脚蹬力—脚蹬位移特性，生成脚蹬力—脚蹬位移特性曲线。
上述杆力—杆位移特性曲线、盘力—盘位移特性曲线、柱力—柱位移特性曲线、脚蹬力—脚蹬位移特性曲线通称为操纵特性曲线，描述了操纵力和及其对应操纵位移的相互关系，在理论上使用多段斜率不同的直线段，依次相连而形成的折线进行描述，操纵力—操纵位移特性测量的实质就是要检查操纵力和对应的操纵位移相互关系是否满足要求。
目前，在操纵力—操纵位移特性测量中，由采集记录的杆力、杆位移信号数据直接生成操纵力—操纵位移特性曲线，并与理论曲线进行对比，以评估操纵特性是否满足要求。上述评估受试验人员工程经验、理论水平等主观意志的影响，造成评估随机差别大，不同的试验人员往往会得出不同的结论。
发明内容
本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种飞机操纵特性曲线生成方法，采用对原始记录的操纵力、操纵位移进行数值运算的基础上，进行数据的分类和分段拟合，自动生成操纵特性曲线，本方法具有数据特征点准确、客观，不受试验人员主观意志影响。
本发明的技术方案：一种飞机操纵特性曲线生成方法，包括以下步骤：
步骤一、对原始记录的时间序列操纵力数据集及其对应的操纵位移测量数据集分别进行数据平滑或数字滤波处理；
步骤二、提取测量数据序列中斜率变化的数据分段点；
步骤三、根据步骤二提取的数据分段点对测量数据进行分段，并对每段测量数据使用最小二乘法进行拟合，得到该段直线的斜率kj和截距bj，并以Lj(kj,bj)表示第j条直线；
步骤四、计算相邻两条直线Lj(kj,bj)和Lj-1(kj-1,bj-1)的交点Rj(xj，fj)，直到完成所有直线交点的计算，得到全部直线交点，并依次相连各直线交点得到由多段直线组成的操纵特性曲线。
优选地，所述步骤一中，对需进行平滑处理的测量数据点和它的前2个数据点以及它的后2个数据点共5个点的数据值使用二次三项式进行拟合，然后取拟合曲线上的拟合值来表示原数据点。
优选地，所述步骤二中，计算数据点Pi(xi，fi)与其相邻的前一个数据点Pi-1(xi-1，fi-1)所组成直线的斜率tani以及计算数据点Pi(xi，fi)与其相邻的下一个数据点Pi+1(fi+1，xi+1)所组成直线的斜率tani+1；
若|tani+1-tani|≤ε，则判定上述两点属于同一线段，继续下一点的计算；
若|tani+1-tani|>ε，则判定上述两点属于不同线段，并以数据点Pi(xi，fi)为当前数据分段的测量数据分段点Qi(xi，fi)。
优选地，所述步骤三中，使用最小二乘法进行直线拟合并求解直线斜率kj和截距bj时，要求所拟合直线与待拟合数据点集误差的平方和为最小，即：
其中，数据点集为PN(j-1)(xN(j-1)，fN(j-1))、PN(j-1)+1(xN(j-1)+1，fN(j-1)+1)、……、PN(j)(xN(j)，fN(j))；
则该数据点集包括N(j)-N(j-1)+1个数据点，以NJ表示，则有：NJ＝N(j)-N(j-1)+1。
优选地，对所述公式(1)分别以以斜率kj和截距bj为变量求导；得到：
本发明技术方案的有益技术效果：本发明一种飞机操纵特性曲线生成方法具有以下优点：
(1)基于数值运算的操纵特性特征点提取和图形曲线生成，具有数据特征点准确、客观，不受试验人员主观意志影响；
(2)平滑算法、特征点提取和多段直线拟合算法相对简单，效果好，非常适合于对测量数据的平滑处理、特征点提取、多段直线拟合；
(3)算法具有通用性，适合不同类型飞机操纵特性测量数据处理和图形曲线的生成。
附图说明
图1为本发明一种飞机操纵特性曲线生成方法的一优选实施例的流程示意图；
图2为图1所示实施例的一优选实施例的方法步骤示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示，本发明一种飞机操纵特性曲线生成方法，包括以下步骤：
步骤一、对原始记录的时间序列操纵力数据集及其对应的操纵位移测量数据集分别进行数据平滑或数字滤波处理；
步骤二、提取测量数据序列中斜率变化的数据分段点；
步骤三、根据步骤二提取的数据分段点对测量数据进行分段，并对每段测量数据使用最小二乘法进行拟合，得到该段直线的斜率kj和截距bj，并以Lj(kj,bj)表示第j条直线；
步骤四、计算相邻两条直线Lj(kj,bj)和Lj-1(kj-1,bj-1)的交点Rj(xj，fj)，直到完成所有直线交点的计算，得到全部直线交点，并依次相连各直线交点得到由多段直线组成的操纵特性曲线。
下面对飞机操纵特性曲线生成方法进行详细说明：
首先，进行数据预处理，对原始记录的时间序列操纵力测量数据集F(f1，f2，…，fn)、以及对应的操纵位移测量数据集X(x1，x2，…，xn)，分别进行数据平滑或数字滤波。
本实施例中，在测量数据的预处理中，对类似工频干扰这样周期性噪声采用数据消噪处理，而对类似随机信号这样不规则噪声采用数据平滑处理，在消去数据中干扰成分的同时，保持原有曲线的基本变化特性，以减少测量中统计误差带来的不良影响，解决处理有徒然变化的测量段，以便寻找拐点等操作，优选五点二次平均法是对需要进行平滑处理的测量数据点和它的前2个数据点以及它的后2个数据点共5个点的数据值使用二次三项式进行拟合，然后取拟合曲线上的拟合值来表示原数据点。
对给定的操纵位移测量数据集X(x1，x2，…，xn)，对测量序列点xi，按下面(1)式进行五点二次平滑计算：
给定序列X中的x1、x2、xn-1和xn这四个点的平滑计算方法如公式(2)：
其次，从预处理后的操纵位移测量数据集X(x1，x2，…，xn)及其对应的操纵力测量数据集F(f1，f2，…，fn)中依次选取操纵位移xi及其对应操纵力fi组成数据点Pi(xi，fi)，计算数据点Pi(xi，fi)与其相邻的前一个数据点Pi-1(xi-1，fi-1)所组成直线的斜率tani＝(fi-fi-1)/(xi-xi-1)，以及计算数据点Pi(xi，fi)与其相邻的下一个数据点Pi+1(fi+1，xi+1)所组成直线的斜率tani+1＝(fi+1-fi)/(xi+1-xi)，比较两次计算斜率tani、tani+1之差的绝对值|tani+1-tani|，如果小于或等于给定的误差ε，即|tani+1-tani|≤ε，则判定上述两点属于同一线段，继续下一点的计算；
反之，如果斜率之差绝对值大于给定误差，即|tani+1-tani|>ε，则判定上述两点属于不同线段，并以数据点Pi(xi，fi)为测量数据当前分段点Qi(xi，fi)，并以N(l)＝i，记录当前数据点序列号，同时，以该数据点相邻的下一个数据点Pi+1(xi+1，fi+1)做为下一个线段的起始点，继续查找下一个数据分段点，直到完成对全部测量数据点的查找,并得到全部数据分段点Q1(x1，f1)、Q2(x2，f2)……Qm-1(xm-1，fm-1)。
第三，以上述数据分段点对测量数据进行分段，使用最小二乘法对每段测量数据进行拟合，得到该段直线的斜率kj和截距bj，并以Lj(kj,bj)表示第j条直线；
对当前直线斜率kj和截距bj计算中，优选计算方法如下：
当前直线斜率kj和截距bj计算中，其数据点集为PN(j-1)(xN(j-1)，fN(j-1))、PN(j-1)+1(xN(j-1)+1，fN(j-1)+1)、……、PN(j)(xN(j)，fN(j))，该数据点集包括N(j)-N(j-1)+1个数据点，以NJ表示，则有：NJ＝N(j)-N(j-1)+1；
使用最小二乘法进行直线拟合时，要求所拟合直线与待拟合数据点集误差的平方和为最小：
按照上式(3)分别以斜率kj和截距bj为变量求导，从而得到如下方程组：
求取满足上述方程组(4)的斜率kj：
以及求取满足上述方程组(5)的截距bj：
相邻两条直线交点Rj(xj，fj)的计算中，优选计算方法如下：
xj＝(bj-bj-1)/(kj-1-kj) (7)
相邻直线交点Rj(xj，fj)纵坐标计算公式如下：
fj＝kj*xj+bj (8)
第四，计算相邻两条直线Lj(kj,bj)和Lj-1(kj-1,bj-1)的交点Rj(xj，fj)，直到完成所有直线交点的计算，得到全部直线交点R1(x1，f1)、R2(x2，f2)……Rm(xm-1，fm-1)，依次相连各直线交点R1(x1，f1)、R2(x2，f2)……Rm-1(xm-1，fm-1)，得到由多段直线组成的操纵特性曲线。
图2为本发明一个实施例流程图，操纵特性曲线生成算法包括以下详细步骤：
步骤1：对原始记录的时间序列操纵力测量数据集F(f1，f2，…，fn)、操纵位移测量数据集X(x1，x2，…，xn)进行数据平滑或数字滤波；
步骤2：通过斜率计算方法提取测量数据序列中的变化转折点；
步骤3：以步骤2所得转折点作为测量数据序列的分段点，对操纵力测量数据集F(f1，f2，…，fn)和操纵位移测量数据集X(x1，x2，…，xn)进行分段；
步骤4：对步骤3分段后的测量数据进行分段拟合，生成由折线组成的操纵特性曲线。
图2为本发明一个实施例流程图，本发明的一种飞机操纵特性曲线生成方法的实施例流程说明了其实现方法，包括以下详细步骤：
步骤1：执行[101]，开始并设置参数的初始状态；
步骤2：执行[102]，读取操纵位移测量数据集X(x1，x2，…，xn)，对操纵位移测量数据进行数据平滑处理；
步骤3：执行[103]，读取操纵力测量数据集F(f1，f2，…，fn)、对操纵力测量数据进行数据平滑处理；
步骤4：执行[104]，取第一个数据分段点Q1(x1，f1)；
步骤5：执行[105]，设数据分段点指针j初始值为2；
步骤6：执行[106]，设测量数据指针i初始值为2；
步骤7：执行[107]，计算当前数据点Pi(xi，fi)与其相邻的前一个数据点Pi-1(xi-1，fi-1)所组成直线的斜率tani＝(fi-fi-1)/(xi-xi-1)；
步骤8：执行[108]，计算当前数据点Pi(xi，fi)与其相邻的下一个数据点Pi+1(fi+1，xi+1)所组成直线的斜率tani+1＝(fi+1-fi)/(xi+1-xi)；
步骤9：执行[109]，比较两次计算斜率tani、tani+1之差的绝对值|tani+1-tani|与给定误差ε；
步骤10：如果小于或等于给定的误差ε，即|tani+1-tani|≤ε，则执行[110]；
步骤11：执行[110]，i＝i+1，测量数据指针i指向下个点，返回步骤7继续执行；
步骤12：执行[111]，如果斜率之差绝对值大于给定误差，即|tani+1-tani|>ε，取当前数据点为数据分段点Qj(xi，fi)＝Pi(xi，fi)；
步骤13：执行[112]，判断是否完成全部测量数据查找？
步骤14：执行[113]，如果没有完成全部测量数据查找，则j＝j+1，数据分段点指针j指向下个点；
步骤15：执行[114]，以数据分段点Q1(x1，f1)、Q2(x2，f2)……Qm-1(xm-1，fm-1)为数据分段点对测量数据进行分段，使用最小二乘法对每段测量数据进行拟合，得到该段直线的斜率kj和截距bj，并以Lj(kj,bj)表示第j条直线；
步骤16：执行[115]，计算相邻两条直线Lj(kj,bj)和Lj-1(kj-1,bj-1)的交点Rj(xj，fj)，得到全部直线交点R1(x1，f1)、R2(x2，f2)……Rm-1(xm-1，fm-1)；
步骤17：执行[116]，依次相连各直线交点R1(x1，f1)、R2(x2，f2)……Rm-1(xm-1，fm-1)，得到由多段直线组成的操纵特性曲线；
步骤18：执行[117]，结束执行。
本发明在对原始记录的操纵力、操纵位移进行数值运算的基础上，进行数据的分类和分段拟合，自动生成操纵特性曲线；具有数据特征点准确、客观，不受试验人员主观意志影响；适合不同类型飞机操纵特性测量数据处理和图形曲线的生成。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种飞机操纵特性曲线生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对原始记录的时间序列操纵力数据集及其对应的操纵位移测量数据集分别进行数据平滑或数字滤波处理；
步骤二、提取测量数据序列中斜率变化的数据分段点；
步骤三、根据步骤二提取的数据分段点对测量数据进行分段，并对每段测量数据使用最小二乘法进行拟合，得到该段直线的斜率kj和截距bj，并以Lj(kj,bj)表示第j条直线；
步骤四、计算相邻两条直线Lj(kj,bj)和Lj-1(kj-1,bj-1)的交点Rj(xj，fj)，直到完成所有直线交点的计算，得到全部直线交点，并依次相连各直线交点得到由多段直线组成的操纵特性曲线。
2.如权利要求1所述的飞机操纵特性曲线生成方法，其特征在于：所述步骤一中，对需进行平滑处理的测量数据点和它的前2个数据点以及它的后2个数据点共5个点的数据值使用二次三项式进行拟合，然后取拟合曲线上的拟合值来表示原数据点。
3.如权利要求1所述的飞机操纵特性曲线生成方法，其特征在于：所述步骤二中，计算数据点Pi(xi，fi)与其相邻的前一个数据点Pi-1(xi-1，fi-1)所组成直线的斜率tani以及计算数据点Pi(xi，fi)与其相邻的下一个数据点Pi+1(fi+1，xi+1)所组成直线的斜率tani+1；
若|tani+1-tani|≤ε，则判定上述两点属于同一线段，继续下一点的计算；
若|tani+1-tani|>ε，则判定上述两点属于不同线段，并以数据点Pi(xi，fi)为当前数据分段的测量数据分段点Qi(xi，fi)。
4.如权利要求1所述的飞机操纵特性曲线生成方法，其特征在于：所述步骤三中，使用最小二乘法进行直线拟合并求解直线斜率kj和截距bj时，要求所拟合直线与待拟合数据点集误差的平方和为最小，即：
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其中，数据点集为PN(j-1)(xN(j-1)，fN(j-1))、PN(j-1)+1(xN(j-1)+1，fN(j-1)+1)、……、PN(j)(xN(j)，fN(j))；
则该数据点集包括N(j)-N(j-1)+1个数据点，以NJ表示，则有：NJ＝N(j)-N(j-1)+1。
5.如权利要求4所述的飞机操纵特性曲线生成方法，其特征在于：对所述公式(1)分别以以斜率kj和截距bj为变量求导；得到：
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