用于民机设计及适航审定的智能座舱系统实现方法技术方案

一种用于民机设计及适航审定的智能座舱系统实现方法，搭建了新的用于民机设计及适航审定的智能座舱系统平台并采用MATLAB/Simulink和C#混合编程方法搭建智能座舱系统平台，完成一次最后进近着陆飞行任务实际用时约为320s,在PC机上仿真时间可缩短至20s甚至更短。因此本发明专利技术能在短时间内产生大量经验证可靠的飞行样本数据是可行的，提高了系统的运行效率与可靠性。通过高仿真驾驶舱系统中真实飞行机组操纵飞机产生的飞行数据与智能座舱系统中自动驾驶产生的飞行数据的对比，验证了智能座舱系统的有效性与精确性。

【技术实现步骤摘要】
用于民机设计及适航审定的智能座舱系统实现方法
本专利技术涉及一种航空系统控制领域的技术，具体是一种用于民机设计及适航审定的智能座舱系统实现方法。
技术介绍
飞行安全是民用航空领域永恒的主题，每一架民用飞机都必须经过适航审定后取得适航合格证书才可以执行民用航空飞行任务。中国民用航空规章(CCAR)提出了最小飞行机组准则，将飞行机组的任务分解成与操作相关的任务需求来验证飞机的适航符合性。智能座舱系统描述机组，飞机，环境之间的动态关系，是飞机系统中人机交互的唯一界面。设计与开发一种用于民机设计及适航审定的智能座舱系统的技术对于飞机适航审定的顺利进行是十分有意义的。在适航审定时，需要大量综合，全面可靠的基于各种飞行场景的飞行数据，以确保适航审定的客观性与准确性。而在飞机设计的各个阶段，也需要大量可涵盖小概率飞行事件的经验证可靠的全面飞行数据来评估飞机系统设计的合理性和有效性。综合来说，不论是在民用飞机的适航审定过程中，还是在民机系统设计的各个阶段，建立一个智能座舱系统都具有重要意义。开发智能座舱系统的直接目的在于根据各种机型以及人机环参数下的多种飞行条件快速实现基于各种飞行场景的飞行任务。座舱系统快速自动产生的飞行数据经与在高仿真驾驶舱中真实机组执行相同的飞行任务产生的飞行数据的比较，经验证是可靠且全面的。智能座舱系统可以用于描述在各种飞行条件下飞行任务与机组干预，工作负荷分配，异常事件的处置程序等因素之间的动态关系与适应性。因此有必要开发一种用于民机设计及适航审定的智能座舱系统。目前已有的智能座舱控制系统仅仅是对民机飞控系统的简单调控，但是这类系统的数据覆盖面较小，可移植性和复用性较差。无法重现飞行机组，环境与飞机的动态交互影响，缺少必要的自动化设备，特别是执行飞行任务时与真实飞行机组执行的真实数据相差较大，无法用于民机的实际适航审定及设计过程。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种用于民机设计及适航审定的智能座舱系统实现方法，具有必要的可重复性，可快速得到真实，全面，可靠可信的大量飞行数据的智能座舱系统开发方法。本专利技术通过以下技术方案实现：本专利技术包括以下步骤：步骤1、构建智能座舱系统中六自由度飞机动力学模型，赋予各飞机参数真实有效的民用飞机机型实现可进行数值计算的飞机动力学仿真模型，其中飞机的参数可根据不同的民机机型灵活赋予，可表征大多数在役的民用飞机动力学模型。步骤2、采用MATLAB/Simulink和C#混合编程方法搭建智能座舱系统平台：在MATLAB/Simulink中实现飞机的非线性动力学模型，该模型会根据舵面和油门的控制量输入解算出飞机状态量的变化，并能外接自动控制器进行联合数值仿真。在C#中主要完成座舱系统显示平台的界面设计以及功能划分等工作。步骤3、飞机自动控制器的设计：自动控制器控制的操作机理可类似于飞行员对飞机的操作，即用于纵向控制的升降舵，油门杆和用于横向/舵向控制的方向舵和副翼。本专利技术针对座舱系统中自动驾驶仪的高度保持，俯仰姿态保持，速度保持三种控制，在MATLAB/Simulink中设计了相应的自动控制器。步骤4、模型的有效性与可靠性验证：根据智能座舱系统产生的飞行数据，选取在一次飞行中飞机实际着陆点与期望着陆点之间的差值的绝对值，即着陆偏差为评价指标。并通过半物理飞行测试，比较高仿真驾驶舱系统中真实飞行机组操纵飞机产生的飞行数据与智能座舱系统中自动驾驶产生的飞行数据验证了智能座舱系统的有效性与精确性。所述的智能座舱系统可依靠智能座舱系统中机型的配置以及控制器的设计快速产生大量综合，全面可靠的基于各种飞行场景的飞行数据，以确保适航审定的客观性与准确性。技术效果与现有技术相比，本专利技术针对现有座舱系统自动驾驶的局限性进行了改进，搭建了新的用于民机设计及适航审定的智能座舱系统平台。采用MATLAB/Simulink和C#混合编程方法搭建智能座舱系统平台，完成一次最后进近着陆飞行任务实际用时约为320s，在PC机上仿真时间可缩短至20s甚至更短。因此本专利技术能在短时间内产生大量经验证可靠的飞行样本数据是可行的，提高了系统的运行效率与可靠性。通过高仿真驾驶舱系统中真实飞行机组操纵飞机产生的飞行数据与智能座舱系统中自动驾驶产生的飞行数据的对比，验证了智能座舱系统的有效性与精确性。附图说明图1为飞机六自由度模型图；图2为飞机非线性动力学模型示意图；图3为仿真平台界面设计图；图4为俯仰姿态保持控制器框图；图5为高度保持控制器框图；图6为速度保持控制器框图；图7为最后进近和着陆阶段飞行场景图；图8为一次飞行中的主要飞行状态数据图；图9为飞机着陆点频率分布图；图10为着陆偏差样本数据图；图11为样本数据QQ图；图12为飞行样本数据Hill图；图13为GPD拟合检验图；图14为高仿真驾驶舱系统图。具体实施方式实施例1本实施例具体包括以下步骤：步骤1、飞机动力学模型的构建是智能座舱系统的基础。飞机在空中的运动，可看成具有六自由度的刚体，包括三个平动自由度，三个转动自由度。飞机的运动方程主要包括以牛顿第二定律为基础的速度等平动向量，以欧拉方程为基础的角速度等转动向量。六自由度飞行动力学方程模型框架如图1所示。图1中，NEWTON’SEQUATION过程是对飞机运动平动自由度的建模方程；EULER’SEQUATION过程是对飞机运动转动自由度的描述；FORCES&MOMENTS过程求解平动自由度和转动自由度的力与力矩；KINEMATICEQUATIONS过程给出了在搭建系统模型时所需要初始化的四元数、飞机姿态角以及方向余弦矩阵等内容；模型的输入部分是PILOTCONTROL过程，直接改变AERO&PROPULSION过程中的升力与阻力的变化。步骤2、基于MATLAB/Simulink和C#混合编程方法搭建智能座舱系统平台，其中：在MATLAB/Simulink中的飞机非线性动力学模型示意图如图2所示，该模型会根据舵面和油门的控制量输入解算出飞机状态量的变化，并能外接自动控制器进行联合数值仿真。在VisualStudio中完成界面设计，场景构建，功能划分等工作。座舱显示平台界面设计如图3所示，界面可以清楚地表示一次飞行中各飞行参数的状态信息。步骤3、飞机自动控制器的设计。本专利技术针对座舱系统中自动驾驶仪的高度保持，俯仰姿态保持，速度保持三种控制，在MATLAB/Simulink中设计了相应的自动控制器。其余舵机，起落架，襟翼等控制器均选取民机系统常用控制器实现。所述的自动控制器包括：用于使得飞机以设定好的俯仰角飞行并保持俯仰角稳定的俯仰姿态保持器、高度保持控制器和速度保持控制器。所述的俯仰姿态保持器为比例-积分式俯仰姿态保持控制器，其控制率为：其中：Kθ为俯仰角比例环节系数；Te为积分环节时间常数；Δθc为平衡点处的俯仰角；Δθ为飞机实际俯仰角；为俯仰角速度反馈环节的系数；为俯仰角速度，即q。基于simulink中设计的俯仰姿态保持控制器框图如图4所示。图中stable_delta_e是平衡点处的升降舵角度。stable_theta是平衡点处的俯仰角。实际飞机控制系统中为了削弱铰链力矩对舵机的影响，会用舵回路代替单独的舵机进行舵面偏转的操作，图中的俯仰舵反馈回路是用于模拟飞机位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于民机设计及适航审定的智能座舱系统实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、构建智能座舱系统中六自由度飞机动力学模型，赋予各飞机参数真实有效的民用飞机机型实现可进行数值计算的飞机动力学仿真模型；步骤2、采用MATLAB/Simulink和C#混合编程方法搭建智能座舱系统平台；步骤3、飞机自动控制器的设计：针对座舱系统中自动驾驶仪的高度保持，俯仰姿态保持，速度保持三种控制，在MATLAB/Simulink中设计了相应的自动控制器；步骤4、模型的有效性与可靠性验证：根据智能座舱系统产生的飞行数据，选取在一次飞行中飞机实际着陆点与期望着陆点之间的差值的绝对值，即着陆偏差为评价指标并通过半物理飞行测试，比较高仿真驾驶舱系统中真实飞行机组操纵飞机产生的飞行数据与智能座舱系统中自动驾驶产生的飞行数据验证了智能座舱系统的有效性与精确性。

【技术特征摘要】
1.一种用于民机设计及适航审定的智能座舱系统实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、构建智能座舱系统中六自由度飞机动力学模型，赋予各飞机参数真实有效的民用飞机机型实现可进行数值计算的飞机动力学仿真模型；步骤2、采用MATLAB/Simulink和C#混合编程方法搭建智能座舱系统平台；步骤3、飞机自动控制器的设计：针对座舱系统中自动驾驶仪的高度保持，俯仰姿态保持，速度保持三种控制，在MATLAB/Simulink中设计了相应的自动控制器；步骤4、模型的有效性与可靠性验证：根据智能座舱系统产生的飞行数据，选取在一次飞行中飞机实际着陆点与期望着陆点之间的差值的绝对值，即着陆偏差为评价指标并通过半物理飞行测试，比较高仿真驾驶舱系统中真实飞行机组操纵飞机产生的飞行数据与智能座舱系统中自动驾驶产生的飞行数据验证了智能座舱系统的有效性与精确性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的飞机动力学仿真模型，其中飞机的参数可根据不同的民机机型灵活赋予，可表征大多数在役的民用飞机动力学模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤2，具体是指：在MATLAB/Simulink中实现飞机的非线性动力学模型，该模型会根据舵面和油门的控制量输入解算出飞机状态量的变化，并能外接自动控制器进行联合数值仿真，在C#中主要完成座舱系统显示平台的界面设计以及功能划分工作。4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的智能座舱系统依靠智能座舱系统中机型的配置以...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅芊，黄丹，任炳轩，傅继雷，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31