CN111830847B - 一种载人离心机姿态运动误差分类的过载、姿态模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载人离心机姿态运动误差分类的过载、姿态模拟方法，包括参数初始化化：初始化迭代计数n,初始化离心机各物理轴运动角度；获取模拟飞机的六自由度运动参数；解算纯过载模拟时的各轴运动角度及角速度；依据主轴到座舱的转动顺序，计算离心机座舱相对大地坐标系的运动角速度；对比飞机转速方向w_xa与离心机座舱的滚转方向转速w_xc；对比飞机转速方向w_ya与离心机座舱的俯仰方向转速w_yc；选择算法分支，并执行相应算法。通过本发明，可以实现协调载人离心机的各轴运动，提升过载和姿态的综合模拟逼真度，从而提高训练效果。

Description

一种载人离心机姿态运动误差分类的过载、姿态模拟方法

技术领域

本发明涉及飞行训练领域，具体是一种载人离心机姿态运动误差分类的过载、姿态模拟方法。

背景技术

飞行员在飞行中会同时承受由线运动导致的过载以及角运动引起的姿态感知，两种感知与地面运动有较大差异，会给飞行员生理、心理带来极大的考验，从而威胁飞行安全，影响任务执行效果。载人离心机是一种利用旋转运动的离心力提供过载环境的训练设备，主要用于飞行员、航天员过载耐力训练。通过载人离心机进行训练，能够高效、安全、经济的提高飞行员的抗过载能力，是各航空大国飞行员训练的必配装备。

目前载人离心机目前有单轴、3轴、4轴、6轴等构型，其主要通过一个绕固定轴旋转的转臂产生离心力，然后由转臂上的其余姿态轴旋转来分解离心力和产生角运动；他们的最理想目标都是力求实现逼真的飞行过载和姿态模拟，实现地面的逼真飞行训练。

飞行员在飞机上实际飞行中会感受到3个线运动和3个角运动共6个较为独立的运动，然而，由于载人离心机自由度的缺失以及运动范围的约束，导致载人离心机上过载和姿态是相互耦合的，无法直接模拟飞机6个自由度的运动。如在载人离心机上进行纯过载模拟时，离心机转臂必须转动起来，同时姿态轴必须转动来分解过载方向，这必然存在的角运动，将会导致姿态运动的失真；同时，当进行纯姿态模拟时，姿态轴无法在跟随飞机的姿态运动的同时正确分解转臂转动产生的离心力，由此导致过载的失真。因此，传统的载人离心机难以有效融合过载和姿态两者的综合模拟，主要用于抗其擅长的过载耐力训练。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种载人离心机姿态运动误差分类的过载、姿态模拟方法，包括如下步骤：

步骤一、参数初始化化：初始化迭代计数n,按照计算习惯，可以初始化为1，或者0等；初始化离心机各物理轴运动角度Φ_n、θ_n、Ψ_n及角速度dΦ_n、dθ_n、dΨ_n为0；

步骤二、获取模拟飞机的六自由度运动参数G_xa、G_ya、G_za、w_xa、w_ya、w_za，它们依次为前后、左右、头足方向过载(单位为g)，以及滚转、俯仰、偏航方向角速度，经数据处理确保合加速度

步骤三、解算纯过载模拟时的各轴运动角度及角速度；

步骤四、依据主轴到座舱的转动顺序，计算离心机座舱相对大地坐标系的运动角速度w_xc、w_yc、w_zc；w_xc、w_yc、w_zc分别为离心机座舱相对大地坐标系的滚转、俯仰、偏航方向角速度；

步骤五、对比飞机转速方向w_xa与离心机座舱的滚转方向转速w_xc，若w_xa×w_xc≥0，则令x＝1，否则x＝-1；

步骤六、对比飞机转速方向w_ya与离心机座舱的俯仰方向转速w_yc，若w_ya×w_yc≥0，同向则令y＝1，否则y＝-1；

步骤七、选择算法分支，并执行相应算法。如果x＝y＝1，则执行算法1；如果x＝1，y＝-1，则执行算法2，如果x＝-1，y＝1，则执行算法3，如果x＝-1，y＝-1，则执行算法4；

步骤八、判断是否停止，若是则停止计算，输出包含主轴转速及各姿态轴运动参数计算结果cmd＝[w_m(n+1) Φ_(n+1) θ_(n+1)]′给离心机运动平台；若否，则迭代计数n＝n+1，进入步骤二。

进一步的，所述的解算纯过载模拟时的各轴运动角度及角速度包括如下过程：

根据飞机加速度与重力加速度矢量合成，计算得到离心机主轴转速

式中w_m为离心机主轴转速；g为重力加速度，r为离心机有效半径，即计算过载所在位置到回转轴线的距离；

依据计算得到的主轴转速，计算得到离心机转臂端头的线加速度G_tc、G_rc和G_vc；

依据计算得到的离心机转臂坐标系下加速度和飞机的线加速度，计算纯过载模拟时，离心机滚转和俯仰轴角度

进一步的，所述的依据主轴到座舱的转动顺序，计算离心机座舱相对大地坐标系的运动角速度w_xc、w_yc、w_zc；包括如下过程：

建立分别从离心机滚转轴、俯仰轴和偏航轴到离心机座舱的坐标转换矩R₁、R₂、R₃；

依据步骤二解算得到的转速，按照下式计算座舱相对大地坐标系的运动角速度；

其中

分别滚转、俯仰和偏航轴角速度；w_xc、w_yc、w_zc分别为离心机座舱相对大地坐标系的滚转、俯仰、偏航方向角速度。

进一步的，所述的算法1为：按照以下公式得到新的转速和转角：

各轴解算结果均采用步骤二算法结果；

算法2为：按照以下公式得到新的转速和转角：

主轴解算如步骤二，俯仰和滚转位置按照下式计算；

算法3为：主轴解算如步骤二，俯仰和滚转位置按照下式计算；

算法4为：

a计算离心机主轴转速

Δt为计算周期；

b依据下式计算线加速度G_tc、G_rc和G_vc；

c依据下式计算新的离心机滚转和俯仰轴角度

和

d依据下式计算新的离心机滚转和俯仰轴角；

本发明的有益效果是：协调载人离心机的各轴运动，提升过载和姿态的综合模拟逼真度，从而提高训练效果。

附图说明

图1为一种载人离心机姿态运动误差分类的过载、姿态模拟方法的流程图；

图2为控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，本发明所提供的一种载人离心机姿态运动误差分类的过载、姿态模拟方法，包括参数初始化：

1.1初始化迭代计数n,按照计算习惯，可以初始化为1，或者0等；

1.2初始化离心机各物理轴运动角度Φ_n、θ_n、Ψ_n及角速度dΦ_n、dθ_n、dΨ_n为0；

步骤二、获取当前(模拟)飞机的六自由度运动参数G_xa、G_ya、G_za、w_xa、w_ya、w_za，它们依次为前后、左右、头足方向过载(单位为g)，以及滚转、俯仰、偏航方向角速度，经数据处理确保合加速度

步骤三、解算纯过载模拟时的各轴运动角度及角速度；

3.1根据飞机加速度与重力加速度矢量合成，计算得到离心机主轴转速

式中w_m为离心机主轴转速；g为重力加速度，r为离心机有效半径，即计算过载所在位置距到回转轴线的距离；

3.2依据计算得到的主轴转速，计算得到离心机转臂端头的线加速度G_tc、G_rc和G_vc；

3.3依据计算得到的离心机转臂坐标系下加速度和飞机的线加速度，计算纯过载模拟时，离心机滚转和俯仰轴角度

步骤四、依据主轴到座舱的转动顺序，计算离心机座舱相对大地坐标系(惯性空间)的运动角速度w_xc、w_yc、w_zc；

4.1建立分别从离心机滚转轴(滚转框)、俯仰轴(俯仰框)和偏航轴(偏航框)到离心机座舱的坐标转换矩阵R₁、R₂、R₃；

4.2依据步骤二解算得到的转速，按照下式计算座舱相对大地坐标系(惯性空间)的运动角速度；

其中

分别滚转、俯仰和偏航轴角速度。

步骤五、对比飞机转速方向w_xa与离心机座舱的滚转方向转速w_xc，如果w_xa×w_xc≥0，则令x＝1，否则x＝-1；

步骤六、对比飞机转速方向w_ya与离心机座舱的俯仰方向转速w_yc，如果w_ya×w_yc≥0，同向则令y＝1，否则y＝-1；

步骤七、选择算法分支，并执行相应算法。如果x＝y＝1，则执行算法1；如果x＝1，y＝-1，则执行算法2，如果x＝-1，y＝1，则执行算法3，如果x＝-1，y＝-1，则执行算法4；

算法1：按照以下公式得到新的转速和转角：

各轴解算结果均采用步骤二算法结果；

算法2：按照以下公式得到新的转速和转角：

主轴解算如步骤二，俯仰和滚转位置按照下式计算；

算法3：主轴解算如步骤二，俯仰和滚转位置按照下式计算；

算法4：

a计算离心机主轴转速

Δt为计算周期；

b依据下式计算线加速度G_tc、G_rc和G_vc；

c依据下式计算新的离心机滚转和俯仰轴角度

和

d依据下式计算新的离心机滚转和俯仰轴角；

步骤八、输出包含主轴转速及各姿态轴运动参数计算结果cmd＝[w_m(n+1) Φ_(n+1)θ_(n+1)]′给离心机运动平台。

步骤九、判断是否停止，如果“是”则停止计算，如果“否”，则迭代计数n＝n+1，进入步骤二。

过载模拟引入人体感知模型，加可调反馈系数；

过载模拟引入人体感知模型，加自适应反馈系数；

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种载人离心机姿态运动误差分类的过载、姿态模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、参数初始化：初始化迭代计数n,初始化离心机各物理轴运动角度Φ_n、θ_n、Ψ_n及角速度dΦ_n、dθ_n、dΨ_n；

步骤二、获取模拟飞机的六自由度运动参数G_xa、G_ya、G_za、w_xa、w_ya、w_za，它们依次为前后、左右、头足方向过载，以及滚转、俯仰、偏航方向角速度，经数据处理合加速度

步骤三、解算纯过载模拟时的各轴运动角度及角速度；

步骤四、依据主轴到座舱的转动顺序，计算离心机座舱相对大地坐标系的运动角速度w_xc、w_yc、w_zc；w_xc、w_yc、w_zc分别为离心机座舱相对大地坐标系的滚转、俯仰、偏航方向角速度；

步骤五、对比飞机转速方向w_xa与离心机座舱的滚转方向转速w_xc，若w_xa×w_xc≥0，则令x＝1，否则x＝-1；

步骤六、对比飞机转速方向w_ya与离心机座舱的俯仰方向转速w_yc，若w_ya×w_yc≥0，同向则令y＝1，否则y＝-1；

步骤七、选择算法分支，并执行相应算法；如果x＝y＝1，则执行算法1；如果x＝1，y＝-1，则执行算法2，如果x＝-1，y＝1，则执行算法3，如果x＝-1，y＝-1，则执行算法4；

步骤八、判断是否停止，若是则停止计算，输出包含主轴转速及各姿态轴运动参数计算结果cmd＝[w_m(n+1) Φ_(n+1) θ_(n+1)]′给离心机运动平台；若否，则迭代计数n＝n+1，进入步骤二；

所述的算法1为：按照以下公式得到新的转速和转角：

各轴解算结果均采用步骤二算法结果；

算法2为：按照以下公式得到新的转速和转角：

主轴解算如步骤二，俯仰和滚转位置按照下式计算；

算法3为：主轴解算如步骤二，俯仰和滚转位置按照下式计算；

算法4为：

a计算离心机主轴转速

Δt为计算周期；

b依据下式计算线加速度G_tc、G_rc和G_vc；

c依据下式计算新的离心机滚转和俯仰轴角度

和

d依据下式计算新的离心机滚转和俯仰轴角；

2.根据权利要求1所述的一种载人离心机姿态运动误差分类的过载、姿态模拟方法，其特征在于，所述的解算纯过载模拟时的各轴运动角度及角速度包括如下过程：

根据飞机加速度与重力加速度矢量合成，计算得到离心机主轴转速

式中w_m为离心机主轴转速；g为重力加速度，r为离心机有效半径，即计算过载所在位置到回转轴线的距离；

依据计算得到的主轴转速，计算得到离心机转臂端头的线加速度G_tc、G_rc和G_vc；

依据计算得到的离心机转臂坐标系下加速度和飞机的线加速度，计算纯过载模拟时，离心机滚转和俯仰轴角度

3.根据权利要求1所述的一种载人离心机姿态运动误差分类的过载、姿态模拟方法，其特征在于，所述的依据主轴到座舱的转动顺序，计算离心机座舱相对大地坐标系的运动角速度w_xc、w_yc、w_zc；包括如下过程：

建立分别从离心机滚转轴、俯仰轴和偏航轴到离心机座舱的坐标转换矩R₁、R₂、R₃；

依据步骤二解算得到的转速，按照下式计算座舱相对大地坐标系的运动角速度；

其中

分别滚转、俯仰和偏航轴角速度；w_xc、w_yc、w_zc分别为离心机座舱相对大地坐标系的滚转、俯仰、偏航方向角速度。

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