CN111785128A - 一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法 - Google Patents

一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及飞行模拟器技术领域，目的是提供一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，本发明包括获取五自由度模拟器座舱上的飞行操作系统中的操作指令，进入仿真模型；通过仿真模型中飞机的实际飞行，获取若干个自由度运动参数、大臂绕主轴转动的角速度和角加速度，进而根据实际飞行的偏航角运动，得到偏航轴的转动角度，得到实际飞行相对俯仰框坐标系的加速度分量以及滚转轴的转动角度；判断垂直运动框的运动状态，获取纯过载时俯仰轴的转动角度；将主轴的转动角速度和转动角加速度及滚转轴的转动角度、俯仰轴的转动角度、偏航轴的转动角度、垂直运动框的加速度发送给持续载荷模拟器。

Description

一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法
技术领域
本发明涉及飞行模拟器领域，具体涉及一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法。
背景技术
随着计算机与模拟技术的发展，飞行模拟训练受到越来越多的重视，成为提高飞行员飞行技能、确保训练安全、缩短训练周期、节约训练成本的有效途径。飞行模拟训练装置即模拟飞机执行飞行任务时的飞行状态、飞行环境和飞行条件，给飞行员提供相似的操纵负荷、视觉、听觉、运动感觉的装置，其中运动感觉由训练装置的运动平台提供。
随着高性能战斗机的发展，飞行员将承受持续的高G值加速度，如第三代战斗机最大G值可以达到9g，作用时间45s，增长率达到10g/s。持续性的高加速度会诱发飞行员出现G值引起的意识丧失、持续载荷等问题，严重影响飞行员对战斗机的操控，对飞行员的安全也造成威胁。
高性能战斗机模拟训练所需的持续性高G值加速度载荷通常利用转臂快速旋转产生的离心加速度实现，可在地面以较低的代价和更安全的方式对飞行员进行训练，提高战斗机飞行员在持续高过载环境下的战斗技能。
具有五个自由度的持续载荷模拟器(简称模拟器)，从安装基座到座舱依次是主轴、垂直运动框、滚转轴、俯仰轴、偏航轴，通过转臂绕主轴的快速旋转运动实现持续性的高G值加速度，通过垂直运动框实现垂直方向的加速度，通过滚转轴、俯仰轴、偏航轴的协调运动，调整加速度矢量相对于座舱的方向，实现离心机座舱中飞行员持续性过载的精确模拟。
四自由度持续载荷模拟器即可实现过载的精确模拟，五自由度持续载荷模拟器相对于四自由度持续载荷模拟器增加了垂直运动框，从而增加了垂直自由度的控制，目前尚缺乏充分利用垂直自由度的过载模拟控制方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，充分发挥垂直自由度的作用，在线加速度与实际飞行一致的基础之上，减少不必要的角运动，提高战斗机飞行动作模拟的逼真度，本发明设计巧妙，适合推广；
本发明所采用的技术方案是：一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，包括以下步骤，
步骤1：获取五自由度模拟器座舱上的飞行操作系统中的操作指令，进入仿真模型，执行步骤2；
步骤2：通过仿真模型中飞机的实际飞行，获取若干个自由度运动参数、大臂绕主轴转动的角速度
Figure BDA0002604154060000021
和角加速度
Figure BDA0002604154060000022
进而根据实际飞行的偏航角运动，得到偏航轴的转动角度，执行步骤3；
步骤3：根据步骤2中的偏航轴的转动角度，得到实际飞行相对俯仰框坐标系的加速度分量以及滚转轴的转动角度q2，执行步骤4；
步骤4：判断垂直运动框的运动状态，获取纯过载时俯仰轴的转动角度，进执行步骤5；
步骤5：将主轴的转动角速度
Figure BDA0002604154060000023
和转动角加速度
Figure BDA0002604154060000024
及滚转轴的转动角度q2、俯仰轴的转动角度q3、偏航轴的转动角度q4、垂直运动框的加速度
Figure BDA0002604154060000025
发送给持续载荷模拟器，若持续荷载模拟器显示训练结果，若显示训练完成，执行步骤6，若显示训练未完成，执行步骤1；
步骤6：结束。
优选的，所述操作系统中的操作指令包括有操纵杆、油门杆、方向舵脚蹬和按键开关的指令。
优选的，所述步骤2中，所述自由度运动参数包括前后过载Gxa、左右过载Gya、头足过载Gza、滚转角速度Pa、俯仰角速度Qa和偏航角速度Ra。
优选的，所述步骤2中，通过获取的自由度运动参数计算座舱线加速度，所述座舱线加速度的矢量为
Figure BDA0002604154060000026
进而得到，
Figure BDA0002604154060000027
式中，r为座舱中心距主轴的距离，即转动半径，通过计算大臂末端的线加速度矢量得到转动角加速度
Figure BDA0002604154060000028
Figure BDA0002604154060000029
1Gc为相对转臂的加速度矢量，Gr为沿转臂方向的加速度分量，Gt为沿转动方向的加速度分量，Gv为沿垂直方向的加速度分量，r为座舱中心距主轴的距离，g为重力加速度。
优选的，所述步骤2中，获取实际飞行的偏航角速度Ra，得到模拟器偏航轴的转动角度q4
Figure BDA0002604154060000031
对
Figure BDA0002604154060000032
进行高通滤波和积分后的得到q4。
优选的，所述步骤3中，实际飞行相对俯仰框坐标系的线加速度分量包括有3Gxa、3Gya,和3Gza，计算公式为
Figure BDA0002604154060000033
滚转轴的转动角度q2为
Figure BDA0002604154060000034
采用高通滤波器对
Figure BDA0002604154060000035
信号进行滤波，得到
Figure BDA0002604154060000036
的高频部分，对得到的
Figure BDA0002604154060000037
高频部分进行二次积分，得到滚转轴的转动角度高频部分q2 h，
Figure BDA0002604154060000038
式中，
Figure BDA0002604154060000039
采用低通滤波器对q2 0信号进行滤波，得到滚转轴角度的低频部分q2 l，进而，q2＝q2 h+q2 l。
优选的，所述步骤4中，通过计算垂直自由度的线加速度为
Figure BDA00026041540600000310
采用高通滤波器，获得
Figure BDA00026041540600000311
信号的高频部分
Figure BDA00026041540600000312
积分获得垂直自由度的速度，二次积分获得垂直自由度的位移，通过限幅使垂直运动框在行程范围内。
优选的，所述步骤4中，通过相对俯仰框坐标系的线加速度，得到纯过载模拟时俯仰轴的转动角度
Figure BDA0002604154060000041
式中，
Figure BDA0002604154060000042
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.充分发挥垂直自由度的作用，在线加速度与实际飞行一致的基础之上，减少不必要的角运动，提高战斗机飞行动作模拟的逼真度。
附图说明
图1为一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法的示意图；
具体实施方式
下面结合本发明的附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1为本发明一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法的结构图；
一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，步骤一、获得五自由度持续载荷模拟器座舱中操纵杆、油门杆、方向舵脚蹬、按键开关等飞行操纵系统的操作指令；
步骤二、通过飞行仿真，获取当前飞机(实际飞行)的6个自由度运动参数，即3个线加速度物理量：Gxa、Gya、Gza，依次为前后、左右、头足方向过载(单位为g，重力加速度)；3个角速度物理量：Pa、Qa、Ra，依次为滚转、俯仰、偏航方向角速度；
步骤三、计算大臂绕主轴转动的角速度
Figure BDA0002604154060000043
和角加速度
Figure BDA0002604154060000044
3.1已知实际飞行的3个线加速度Gxa、Gya、Gza，可计算得到座舱线加速度矢量的大小为：
Figure BDA0002604154060000051
在实际飞行中存在失重(|Ga|值小于1g，1g即1个重力加速度)现象，而在地面上由于重力的作用，模拟器产生的G值必定大于1g，因此需要对|Ga|值进行处理，通常采用基础G水平的方式修正Gz数据，修正之后的加速度矢量大小为：|Ga'|；
3.2通过如下公式的常微分方程求解，可获得主轴的转动角速度
Figure BDA0002604154060000052
和转动角加速度
Figure BDA0002604154060000053
Figure BDA0002604154060000054
式中r为座舱中心距主轴的距离，即转动半径。
当过载值较大时，可忽略
Figure BDA0002604154060000055
的影响，采用下式对转动角速度
Figure BDA0002604154060000056
进行简化计算：
Figure BDA0002604154060000057
3.3计算大臂末端的线加速度矢量：
Figure BDA0002604154060000058
式中，1Gc为相对转臂的加速度矢量，Gr为沿转臂方向的加速度分量(以转臂末端指向主轴为正)，Gt为沿转动方向的加速度分量(以转动方向为正)，Gv为沿垂直方向的加速度分量(以垂直向上为正)，r为座舱中心距主轴的距离，g为重力加速度。
步骤四、根据实际飞行的偏航角运动，求解偏航轴的转动角度
4.1根据实际飞行的偏航角速度物理量Ra，求解模拟器偏航轴的转动角速度
Figure BDA0002604154060000059
为：
Figure BDA00026041540600000510
其中
Figure BDA00026041540600000511
由步骤三获得，q2和q3由步骤八获得。
4.2将偏航轴的的转动角速度
Figure BDA0002604154060000061
进行高通滤波，之后进行积分，获得偏航轴的转动角度q4。
步骤五、根据偏航轴的转动角度，求解实际飞行相对俯仰框坐标系的3个线加速度分量(3Gxa,3Gya,3Gza)。
Figure BDA0002604154060000062
步骤六、获得滚转轴的转动角度q2；
6.1根据如下公式，计算滚转轴的转动角加速度：
Figure BDA0002604154060000063
6.2采用高通滤波器对
Figure BDA0002604154060000064
信号进行滤波，得到
Figure BDA0002604154060000065
的高频部分；
6.3对6.2计算得到的
Figure BDA0002604154060000066
高频部分进行二次积分，得到滚转轴的转动角度高频部分q2 h；
6.4根据纯过载模拟求得滚转轴的转动角度：
Figure BDA0002604154060000067
式中，
Figure BDA0002604154060000068
6.5采用低通滤波器对q2 0信号进行滤波，得到滚转轴角度的低频部分q2 l；
6.6由如下公式计算滚转轴的转动角度：
q2＝q2 h+q2 l
步骤七、计算垂直运动框的运动状态；
7.1根据如下公式，计算垂直自由度的线加速度：
Figure BDA0002604154060000069
7.2采用高通滤波器，获得
Figure BDA00026041540600000610
信号的高频部分
Figure BDA00026041540600000611
7.3
Figure BDA0002604154060000071
积分获得垂直自由度的速度，二次积分获得垂直自由度的位移，通过限幅使垂直运动框在行程范围内。
步骤八、根据相对俯仰框坐标系的线加速度物理量，计算纯过载模拟时俯仰轴的转动角度：
Figure BDA0002604154060000072
式中，
Figure BDA0002604154060000073
步骤九、将主轴的转动角速度
Figure BDA0002604154060000074
和转动角加速度
Figure BDA0002604154060000075
及滚转轴的转动角度q2、俯仰轴的转动角度q3、偏航轴的转动角度q4、垂直运动框的加速度
Figure BDA0002604154060000076
发送给持续载荷模拟器运动平台。
步骤十、判断是否停止，如果“是”则停止流程，如果“否”，则进入步骤一。
本发明的工作原理为：充分发挥垂直自由度的作用，在线加速度与实际飞行一致的基础之上，减少不必要的角运动，提高战斗机飞行动作模拟的逼真度，本发明设计巧妙，适合推广。

Claims (8)

1.一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：获取五自由度模拟器座舱上的飞行操作系统中的操作指令，进入仿真模型，执行步骤2；
步骤2：通过仿真模型中飞机的实际飞行，获取若干个自由度运动参数、大臂绕主轴转动的角速度
Figure FDA0002604154050000011
和角加速度
Figure FDA0002604154050000012
进而根据实际飞行的偏航角运动，得到偏航轴的转动角度，执行步骤3；
步骤3：根据步骤2中的偏航轴的转动角度，得到实际飞行相对俯仰框坐标系的加速度分量以及滚转轴的转动角度q2，执行步骤4；
步骤4：判断垂直运动框的运动状态，获取纯过载时俯仰轴的转动角度，进执行步骤5；
步骤5：将主轴的转动角速度
Figure FDA0002604154050000013
和转动角加速度
Figure FDA0002604154050000014
及滚转轴的转动角度q2、俯仰轴的转动角度q3、偏航轴的转动角度q4、垂直运动框的加速度
Figure FDA0002604154050000015
发送给持续载荷模拟器，若持续荷载模拟器显示训练结果，若显示训练完成，执行步骤6，若显示训练未完成，执行步骤1；
步骤6：结束。
2.根据权利要求1所述的一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，其特征在于，所述操作系统中的操作指令包括有操纵杆、油门杆、方向舵脚蹬和按键开关的指令。
3.根据权利要求1所述的一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，其特征在于，所述步骤2中，所述自由度运动参数包括前后过载Gxa、左右过载Gya、头足过载Gza、滚转角速度Pa、俯仰角速度Qa和偏航角速度Ra。
4.根据权利要求3所述的一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，其特征在于，所述步骤2中，通过获取的自由度运动参数计算座舱线加速度，所述座舱线加速度的矢量为
Figure FDA0002604154050000016
进而得到，
Figure FDA0002604154050000017
式中，r为座舱中心距主轴的距离，即转动半径，通过计算大臂末端的线加速度矢量得到转动角加速度
Figure FDA0002604154050000018
Figure FDA0002604154050000021
1Gc为相对转臂的加速度矢量，Gr为沿转臂方向的加速度分量，Gt为沿转动方向的加速度分量，Gv为沿垂直方向的加速度分量，r为座舱中心距主轴的距离，g为重力加速度。
5.根据权利要求4所述的一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，其特征在于，所述步骤2中，获取实际飞行的偏航角速度Ra，得到模拟器偏航轴的转动角度q4
Figure FDA0002604154050000022
对
Figure FDA0002604154050000023
进行高通滤波和积分后的得到q4。
6.根据权利要求5所述的一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，其特征在于，所述步骤3中，实际飞行相对俯仰框坐标系的线加速度分量包括有3Gxa、3Gya,和3Gza，计算公式为
Figure FDA0002604154050000024
滚转轴的转动角度q2为
Figure FDA0002604154050000025
采用高通滤波器对
Figure FDA0002604154050000026
信号进行滤波，得到
Figure FDA0002604154050000027
的高频部分，对得到的
Figure FDA0002604154050000028
高频部分进行二次积分，得到滚转轴的转动角度高频部分q2 h，
Figure FDA0002604154050000029
式中，
Figure FDA00026041540500000210
采用低通滤波器对q2 0信号进行滤波，得到滚转轴角度的低频部分q2 l，进而，q2＝q2 h+q2 l。
7.根据权利要求6所述的一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，其特征在于，所述步骤4中，通过计算垂直自由度的线加速度为
Figure FDA00026041540500000211
采用高通滤波器，获得
Figure FDA0002604154050000031
信号的高频部分
Figure FDA0002604154050000032
积分获得垂直自由度的速度，二次积分获得垂直自由度的位移，通过限幅使垂直运动框在行程范围内。
8.根据权利要求7所述的一种五自由度持续载荷模拟器过载模拟控制方法，其特征在于，所述步骤4中，通过相对俯仰框坐标系的线加速度，得到纯过载模拟时俯仰轴的转动角度
Figure FDA0002604154050000033
式中，
Figure FDA0002604154050000034
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