一种动态飞行模拟器实时运动控制方法技术

本发明专利技术涉及一种动态飞行模拟器实时运动控制方法，包括以下步骤：1)过载离散化：以采样周期Δt对给定的G(t)进行离散化采样，记tn,n＝1,2,...时刻飞行员所受到的过载为G(tn)；2)过载预处理：对离散化后的过载G(tn)进行预处理，形成过载指令Gc(tn)曲线；3)非卸载段大臂运动规划：解算出非卸载段tn时刻的大臂运动的角速度和角加速度4)卸载段大臂运动规划：解算出卸载段tn时刻的大臂运动的角速度和角加速度5)离心过载、切向过载和竖直过载的计算：离心过载切向过载竖直过载GV＝g/g＝1；6)中框和吊篮运动规划：求解中框滚转角大小θ2(tn)和吊篮俯仰角大小θ3(tn)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种动态飞行模拟器实时运动控制方法，属于飞行器控制

技术介绍
随着飞机研发领域在理论和技术两个方面的不断发展，现代高性能飞行在机动时可产生高达9g的过载，过载变化率最大可达6g/s，过载的突变幅值和反复频率均较大。这些苛刻的飞行条件容易导致飞行员在做出较大的机动动作时出现黑视、空间定位错觉甚至意识丧失等情形，极易造成严重后果。航空医学研究表明，对飞行员进行反复的高过载训练，可以有效提高其耐过载能力。采用真机训练固然会有最好的效果，但是该方法不仅损耗飞机的使用寿命，成本巨大，而且存在较大的安全隐患。因此，研发在地面上运行且能够真实模拟飞机过载情形的飞行模拟器成为该领域的一个重要方向。专利CN102013187为目前最常见的地面飞行模拟器装置，利用大臂旋转产生的离心加速度模拟真实飞行中的过载，通过控制中框和吊篮的转角来调整过载作用方向。因此，大臂、中框和吊篮的运动状态直接影响过载模拟精度。由于大臂角速度和角加速度与整机过载相互耦合，导致动态飞行模拟过程的卸载段所需要的大臂角速度无法直接计算，国内外相关研究成果亦较少。Vidakovic等[1]提出了利用雅克比椭圆函数计算卸载段大臂运动参数的方法，该方法计算过程复杂，计算精度有限，过载最大绝对误差为0.49g。Tsai等[2]提出了一种逆向计算卸载段大臂运动参数的方法，该方法计算简单，过载最大绝对误差小，但是仅适用于预先给定过载曲线的预编程模式，无法应用于实时动态飞行模拟。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供适用于实时动态飞行模拟过程中的动态飞行模拟器实时运动控制方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种动态飞行模拟器实时运动控制方法，包括以下步骤：1)过载离散化：以采样周期Δt对给定的G(t)进行离散化采样，记tn,n＝1,2,...时刻飞行员所受到的过载为G(tn)；2)过载预处理：对离散化后的过载G(tn)进行预处理，形成过载指令Gc(tn)曲线；3)非卸载段大臂运动规划：解算出非卸载段tn时刻的大臂运动的角速度和角加速度4)卸载段大臂运动规划：解算出卸载段tn时刻的大臂运动的角速度和角加速度5)离心过载、切向过载和竖直过载的计算：离心过载切向过载竖直过载GV＝g/g＝1；6)中框和吊篮运动规划：中框滚转角大小θ2(tn)和吊篮俯仰角大小θ3(tn)分别表由下式获得：θ2(tn)=arcsin(Gr(tn)1+Gr2(tn))+arcsin(Gy(tn)1+Gr2(tn))]]>θ3(tn)=arcsin(Gt(tn)Gx2(tn)+Gz2(tn))-arcsin(Gx(tn)Gx2(tn)+Gz2(tn)).]]>所述步骤2)中，对G(tn)进行预处理所用的公式为：Gc(tn)=ψ(G(tn)),G(tn)<GlG(tn),Gl≤G(tn)≤GmaxGmax,G(tn)>Gmax]]>其中，ψ(G(tn))为关于G(tn)的多项式；Gl为过载的下临界值；Gmax为最大过载值；当G(tn)<Gl时，G(tn)处于低过载区。所述过载指令Gc包含四个特征段：基础段、加载段、保持段和卸载段；在基础段，取Gc＝1.4g作为基础值。所述步骤3)中，tn时刻的大臂运动的角速度和角加速度通过如下的方程组求解：θ·12(tn)=(Δt)2θ··12(tn)+2θ·1(tn-1)Δtθ··1(tn)+θ·12(tn-1)]]>(θ·12(tn))2+θ··1(tn)2=g2R2(G(tn)2-1)]]>所述步骤4)中，卸载段tn时刻的大臂运动的角速度和角加速度的求解方式为：利用已求得的加载段运动参数和建立数据库，基于该数据库查找与卸载段过载Gc(tn)和过载变化率所在区间两侧端点的对应数据，通过插值计算tn时刻运动参数。所述步骤4)中对数据进行插值时选用线性二维插值方法。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术通过将对卸载段大臂运动参数的求解转换为对加载段运动参数的插值求解，实现了对卸载段大臂运动的规划。2、经过反复验证，本专利技术的计算结果具有较高的计算精度，用户最关心的y向过载模拟误差极小，误差数量级为10-15g，x向和z向过载模拟误差小于0.15g。3、本发明算法简单，求解时间极短，平均每条过载指令计算耗时tc＝0.06～0.09ms，完全能够满足实时性要求。附图说明图1是飞行器模拟器的结构示意图；图2是飞行员所感受到的过载方向示意图；图3是本专利技术方法的流程示意图；图4是过载指令曲线；图5是卸载段过载指令曲线的转换示意图；图6是Linear插值法的原理示意图；图7是具体举例中某次飞行中飞行员三轴过载曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。如图1所示，飞行模拟器的主要结构包括大臂101、中框102和吊篮103，其中，大臂101负责实现末端座椅(固定于吊篮103内部)的旋转运动，中框102负责实现末端座椅的滚转运动，吊篮103负责实现末端座椅的俯仰运动。并且，大臂101的旋转运动决定过载的大小，中框102的滚转运动和吊篮103的俯仰运动用来调整作用于飞行员的过载的方向。三种运动的相互配合和系统运转使得飞行员感受到相应操纵下的过载体验，飞行员过载G的三个分量为Gx，Gy和Gz，其中，Gx为胸-背过载，Gy为左-右过载，Gz为头-足过载，相应的过载方向如图2所示。当长度为R的大臂在某时刻以角速度角加速度绕主轴旋转时，位于吊篮中心处的飞行员受到离心过载Gr(t)、切向过载Gt(t)与竖直过载Gv(t)作用。飞行员所受合过载G(t)定义为Gr(t)、Gt(t)和Gv(t)的矢量和，其大小可表示为：G(t)=R2g1(θ·14(t)+θ··12(t))+1]]>上式中，g表示重力加速度。一般情况下，在已知G(t)时，很难根据该公式逆向解析表达出θ1(t)。鉴于此，本专利技术采用离散思想，首先，对高阶微分方程进行线性化近似；然后，在非卸载段以常规代数方法实现其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态飞行模拟器实时运动控制方法，包括以下步骤：1)过载离散化：以采样周期Δt对给定的G(t)进行离散化采样，记tn,n＝1,2,...时刻飞行员所受到的过载为G(tn)；2)过载预处理：对离散化后的过载G(tn)进行预处理，形成过载指令Gc(tn)曲线；3)非卸载段大臂运动规划：解算出非卸载段tn时刻的大臂运动的角速度和角加速度4)卸载段大臂运动规划：解算出卸载段tn时刻的大臂运动的角速度和角加速度5)离心过载、切向过载和竖直过载的计算：离心过载切向过载竖直过载Gv＝g/g＝1，式中的R为飞行模拟器大臂的长度；6)中框和吊篮运动规划：中框滚转角大小θ2(tn)和吊篮俯仰角大小θ3(tn)分别表由下式获得：θ2(tn)=arcsin(Gr(tn)1+Gr2(tn))+arcsin(Gy(tn)1+Gr2(tn))]]>θ3(tn)=arcsin(Gt(tn)Gx2(tn)+Gz2(tn))-arcsin(Gx(tn)Gx2(tn)+Gz2(tn))]]>上式中，Gx(tn)为tn时刻的胸‑背过载，Gy为tn时刻的左‑右过载，Gz为tn时刻的头‑足过载。

【技术特征摘要】
1.一种动态飞行模拟器实时运动控制方法，包括以下步骤：
1)过载离散化：以采样周期Δt对给定的G(t)进行离散化采样，记tn,n＝1,2,...时刻
飞行员所受到的过载为G(tn)；
2)过载预处理：对离散化后的过载G(tn)进行预处理，形成过载指令Gc(tn)曲线；
3)非卸载段大臂运动规划：解算出非卸载段tn时刻的大臂运动的角速度和角
加速度4)卸载段大臂运动规划：解算出卸载段tn时刻的大臂运动的角速度和角加速
度5)离心过载、切向过载和竖直过载的计算：离心过载切向过载
竖直过载Gv＝g/g＝1，式中的R为飞行模拟器大臂的长度；
6)中框和吊篮运动规划：中框滚转角大小θ2(tn)和吊篮俯仰角大小θ3(tn)分别表由
下式获得：
θ2(tn)=arcsin(Gr(tn)1+Gr2(tn))+arcsin(Gy(tn)1+Gr2(tn))]]>θ3(tn)=arcsin(Gt(tn)Gx2(tn)+Gz2(tn))-arcsin(Gx(tn)Gx2(tn)+Gz2(tn))]]>上式中，Gx(tn)为tn时刻的胸-背过载，Gy为tn时刻的左-右过载，Gz为tn时刻的头
-足过载。
2.如权利要求1所述的一种动态飞行模拟器实时运动控制方法，其特征在于：所
述步骤2)中，对G(tn)进行预处理所用的公式为：
Gc(tn)=ψ(G(tn)),G(tn)<GlG(tn),Gl≤G(tn)≤GmaxGmax,G(tn)>Gmax]]>其中，ψ(G(tn))为关于G(tn)的多项式；Gl为过载...

【专利技术属性】
技术研发人员：关立文，王立平，刘慧，许华旸，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11