周曉光,劉劍超,俞藝涵,穆 陽
(海軍航空大學(xué)教練機(jī)模擬訓(xùn)練中心,遼寧 葫蘆島 125001)
艦載機(jī)著艦一般采取恒定仰角,定常下滑的著艦方式,著艦反區(qū)操縱的要點(diǎn)是“看燈、對(duì)中、保角”。“保角”,是艦載機(jī)著艦的術(shù)語。艦載機(jī)進(jìn)近階段,艦載機(jī)進(jìn)入反區(qū)操控區(qū)域,艦載機(jī)飛行員通過駕駛桿保持飛機(jī)仰角,通過油門控制飛機(jī)下降仰角和下滑梯度,以實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)下滑道精確控制,控制難度極大。飛行模擬器具有保障安全、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、提高效益等特點(diǎn),是艦載機(jī)飛行員培養(yǎng)的重要手段,在艦載機(jī)飛行員培養(yǎng)中占據(jù)著十分重要的地位。文獻(xiàn)[1]對(duì)某型艦載機(jī)FCLP模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[2]對(duì)艦載機(jī)飛行訓(xùn)練模擬器視景系統(tǒng)進(jìn)行了探論。諸多文獻(xiàn)對(duì)艦載機(jī)飛行模擬器進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究[3,4],然而在設(shè)計(jì)過程中沒有突出艦載模擬訓(xùn)練特點(diǎn)。本文針對(duì)某型教練機(jī)飛行模擬訓(xùn)練現(xiàn)實(shí)需求,結(jié)合反區(qū)操縱“看燈、對(duì)中、保角”的特殊要求,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該型教練機(jī)艦載基礎(chǔ)能力訓(xùn)練動(dòng)感模擬器,創(chuàng)造性地將小型六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)用與該型教練機(jī)模擬訓(xùn)練之中,大大地提升了該型教練機(jī)飛行模擬器的逼真度。
2.1 組成結(jié)構(gòu)
某型教練機(jī)艦載基礎(chǔ)能力訓(xùn)練動(dòng)感模擬器采用虛擬現(xiàn)實(shí)與實(shí)物座艙相結(jié)合、分布式仿真的技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)該型教練機(jī)的功能的仿真,為飛行員提供訓(xùn)練環(huán)境。系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、座艙仿真分系統(tǒng)、小型六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、飛行性能仿真分系統(tǒng)、視景仿真分系統(tǒng)、教員制臺(tái)等13個(gè)分系統(tǒng)組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。相對(duì)于采用大型六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的飛行模擬器,基于小型六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的飛行模擬器,小型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位于視景球幕內(nèi),可產(chǎn)生飛行員模擬訓(xùn)練所需動(dòng)感提示,在提高仿真逼真度的同時(shí),具有造價(jià)低、占地空間小、使用方便等特點(diǎn),具有更為廣泛的應(yīng)用前景。
2.2 工作原理
飛行模擬過程中,由控制臺(tái)分系統(tǒng)控制全系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)通過輸入設(shè)備(包括駕駛桿、油門桿、腳蹬等)實(shí)時(shí)采集飛行員的操控信號(hào),實(shí)時(shí)解算飛機(jī)性能、大氣等數(shù)學(xué)模型,并將解算的飛行狀態(tài)等參數(shù)發(fā)送給視景仿真、音響仿真、儀表仿真、控制臺(tái)等分系統(tǒng)。視景仿真分系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)用三維視景模型(包括地景模型和目標(biāo)實(shí)體模型),生成并驅(qū)動(dòng)三維場景,并在顯示器上輸出;音響仿真模塊調(diào)用音響素材,合成音響信號(hào)并加以驅(qū)動(dòng),最終輸出到音響設(shè)備;儀表仿真模塊通過接收的飛行數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬儀表更新數(shù)據(jù)。操縱人員對(duì)所看到和所聽到的信息進(jìn)行反饋,做出正確的操控,從而構(gòu)成人在回路中的閉環(huán)仿真。系統(tǒng)工作原理如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)工作原理示意圖
3.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)
小型六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu),主要由上動(dòng)平臺(tái)、下靜平臺(tái)、虎克鉸鏈、電動(dòng)缸和伺服電機(jī)組成,如下圖3所示。伺服電機(jī)控制六條電動(dòng)缸伸長量變化,以實(shí)現(xiàn)上動(dòng)平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)。
圖3 小型六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)
1)上動(dòng)平臺(tái)。上動(dòng)平臺(tái)為仿真座艙承載平臺(tái),其設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮三個(gè)方面內(nèi)容:一是尺寸要與仿真座艙底座一致,長1.8米、寬1.37;二是結(jié)構(gòu)要滿足安全需求,承載1噸重物體不變形,采用優(yōu)質(zhì)的鋼材焊接而成;三是重量要小,避免因上動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量過大而影響運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能。
2)下靜平臺(tái)。下靜平臺(tái)為小型六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的固定平臺(tái),根據(jù)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),下靜平臺(tái)長2.8米、寬1.6米。下靜平臺(tái)主要由三部分組成:一是支架系統(tǒng),提供下靜平臺(tái)框架,采用優(yōu)質(zhì)的鋼材焊接而成;二是伺服控制系統(tǒng),裝置在下靜平臺(tái)后置機(jī)柜;三是電腦主機(jī)系統(tǒng),裝置在下靜平臺(tái)前置機(jī)柜內(nèi)。下靜平臺(tái)的固定方式采用地上打膨脹螺絲方式進(jìn)行固定。
3)虎克鉸連。電動(dòng)缸與上下平臺(tái)連接采用虎克鉸鏈方式,適用于兩軸間有較大角位移的連接,且安全可靠,維護(hù)方便。
4)電動(dòng)缸
電動(dòng)缸如圖4所示,電動(dòng)缸類型為折返式,絲杠導(dǎo)程420mm,額定出力2.5kN,額定速度250mm/sec,額定轉(zhuǎn)矩2.39Nm,額定轉(zhuǎn)速3000rpm,限位開關(guān)2個(gè),安裝方式前后鉸鏈座。
圖4 電動(dòng)缸整體圖
5)伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器
司服電機(jī)型號(hào)選取三菱;型號(hào):HJ-KS73BJ,司服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩3.5N.M;額定轉(zhuǎn)速3000rpm;額定電流4.5A。
3.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)
平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。其中,上平臺(tái)直徑為1032.5mm;電缸最長距離為1115mm;電缸最短距離715mm;下平臺(tái)直徑為1224.1mm;上平臺(tái)支點(diǎn)間最小圓心角為11.12°,下平臺(tái)支點(diǎn)間最小圓心角11.25°,上平臺(tái)支點(diǎn)間最短距離為100mm,下平臺(tái)支點(diǎn)間最短距離為120mm。
圖5 平臺(tái)參數(shù)示意圖
圖6 平臺(tái)俯仰角度仿真圖
圖7 平臺(tái)翻滾角度仿真圖
圖8 平臺(tái)偏航角度仿真圖
圖10 平臺(tái)縱蕩仿真圖
圖11 平臺(tái)橫蕩仿真圖
3.3 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)空間
1)俯仰角度為23.22°和23.88°,大于要求±20°。(2)翻滾角度為±25.07°,大于要求±20°。偏航角度為±35.07°,大于要求±25°。
2)垂直位移為419mm,大于要求400mm。縱向向位移為±270mm,大于要求±200mm。橫向位移為±300mm,大于要求±200mm,符合設(shè)計(jì)要求。
由于Stewart平臺(tái)電動(dòng)缸伸長量有限,因此上動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍有限,不能完全再現(xiàn)真實(shí)飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。必須采取特殊的算法,在確保產(chǎn)生模擬飛行所需的動(dòng)感提示的條件下,又要保證運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行在安全范圍內(nèi),這種算法稱為洗出算法。洗出算法是Stewart運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的重要組成部分,設(shè)計(jì)好壞直接影響飛行模擬器性能和逼真度。
4.1 經(jīng)典洗出算法
經(jīng)典洗出算法的原理圖如圖12所示,主要由高頻加速度濾波HPT、低通加速度濾波LP和高通角加速濾波HPR組成。兩個(gè)高通濾波分別實(shí)現(xiàn)對(duì)位移加速度和角速度的濾波。低通加速度濾波LP實(shí)現(xiàn)了一個(gè)傾斜協(xié)調(diào)通道,通過角度實(shí)現(xiàn)低頻加速度模擬[6,7]。經(jīng)典洗出算法的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單,執(zhí)行速度快,參數(shù)少,設(shè)計(jì)過程簡單。
圖12 經(jīng)典洗出算法原理
4.2 經(jīng)典洗出算法設(shè)計(jì)
洗出算法中傳遞函數(shù)主要包括四個(gè):比例環(huán)節(jié)K、高通加速度濾波HPT、低通加速度濾波LP和高通角加速濾波HPR,其中比例環(huán)節(jié)K取值一般設(shè)定為1。三個(gè)濾波器傳遞函數(shù)如表1所示。
表1 濾波器傳遞函數(shù)
其中,s為拉普拉斯復(fù)變量;ωn為高通濾波截止頻率;ωLP為低通濾波截止頻率;ζLP為低通濾波阻尼比。對(duì)于中小型飛機(jī),關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置的參考值為濾波比例=1.0;ωn=2.5rad/s,ωLP=5.0rad/s和ζLP=1[8-10]。相關(guān)參數(shù)根據(jù)飛行員試飛主觀感受需要進(jìn)一步調(diào)整。
5.1 仿真樣機(jī)
研制的某型初教機(jī)艦載基礎(chǔ)能力訓(xùn)練動(dòng)感模擬器樣機(jī)如圖13所示,系統(tǒng)主要由仿真座艙、小型六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、視景系統(tǒng)、教員控制臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)接口系統(tǒng)等組成。全仿真座艙位于環(huán)形柱幕內(nèi),確保飛行員視點(diǎn)位置在球心。仿真座艙下置小型六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過地上打膨脹螺絲方式進(jìn)行固定。
圖13 動(dòng)感飛行模擬器樣機(jī)
5.2 仿真結(jié)果分析
根據(jù)飛行員體驗(yàn)效果,經(jīng)多次試飛體驗(yàn),逐一對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,最終確定相關(guān)參數(shù)。動(dòng)感模擬器位移加速度濾波情況如圖14所示,角速度濾波情況如圖15所示。經(jīng)濾波后,驅(qū)動(dòng)桿長度在安全范圍內(nèi),并提供飛行員感受到加速度和角速度與實(shí)際飛機(jī)相似的感知,大大提高了飛行模擬器逼真度。
圖14 位移加速度濾波情況
圖15 角速度濾波情況
由于模擬器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上視景顯示系統(tǒng)未安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之上,此結(jié)構(gòu)存在因運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致與視景系統(tǒng)錯(cuò)配問題。解決方法主要有兩種:一是對(duì)視景系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償,消減運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的角不一致問題;二是合理設(shè)置運(yùn)動(dòng)平臺(tái)洗出算法參數(shù),減少小角度度模擬中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng),減弱小角度度模擬中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)視景運(yùn)動(dòng)的影響。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn),第一種方法因視景運(yùn)動(dòng)和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)同步問題難以解決,進(jìn)一步補(bǔ)償容易引發(fā)眩暈。
第二種方法簡單,濾波算法耗時(shí)小,容易實(shí)現(xiàn),且飛行員反饋逼真度更好,因此采用第二種方法。
遴選有豐富經(jīng)驗(yàn)的多名飛行員,先角度后位移,先單通道后多通道的順序,反復(fù)試飛,最終確定濾波算法的關(guān)鍵參數(shù)值。
針對(duì)某型初教機(jī)艦載基礎(chǔ)能力模擬訓(xùn)練需要,設(shè)計(jì)了基于小型六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)感飛行模擬器。該型模擬器具有占地空間小,造價(jià)低,仿真逼真度高等特點(diǎn),極具推廣價(jià)值。基于經(jīng)典洗出算法,實(shí)現(xiàn)了該型模擬器的運(yùn)動(dòng)控制。仿真結(jié)果顯示,該型模擬器可以有效提供飛機(jī)的動(dòng)感提示,大大提升了仿真逼真度。后續(xù)將進(jìn)一步研究動(dòng)感模擬器洗出算法優(yōu)化問題。
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