控制飞行模拟器运动的方法以及实现该方法的飞行模拟器的制作方法

文档序号:6281439
专利名称:控制飞行模拟器运动的方法以及实现该方法的飞行模拟器的制作方法
技术领域
本发明涉及飞行模拟器以及用于控制飞行模拟器的方法。

背景技术
飞行模拟器运动系统,或者简称为飞行模拟器,设有6个自由度的运动系统。飞行模拟器通过角加速度和(线性)比力的过滤提供机动操纵的运动提示保真度。这些信号对于飞行员的知觉很重要,因此飞行模拟器的运动应该与真实飞行器的运动相一致。在现有技术中可以找到以下用于控制飞行模拟器的算法。
质心变换 因为目的是模拟飞行员所感知的运动,所以飞行模拟器假想地位于带有相应飞行员的参考点P的飞行器内(图4)。
以下的逻辑(图8)常见于文献中(参见Russell V.Parrish、James E.Dieudonne和Dennis J.Martin Jr.于1973年12月发表在美国国家航空和宇宙航行局技术说明D-7350第9页的“协同的六自由度运动基础的运动软件”(″Motionsoftware for a synergistic six-degrees-of-freedom motion base″p.9,NASA TND-7350,dec.1973)/代尔夫特技术大学(Delft University of Technology)的M.Baarspul于1977年6月在报告LR-248第5页的“六自由度运动系统的运动提示的生成”(″The generation of motion cues on a six-degrees-of-freedom motionsystem″p.5,Report LR-248,June 1977)/代尔夫特技术大学的G.A.J,van deMoesdiik、F.L.Van Biervliet于1982年9月在报告LR-358第4页的“对改善Fokker F-28飞行模拟器的运动软件的研究”(″Investigation to improve the motionsoftware of the Fokker F-28 flight simulator″p.4,Report LR-358,sept.1982),和实际应用中 飞行器内假想平台质心位置的比力根据从如下给出的公式计算Technische Hogeschool Delft的O.H.Gerlach于1981年10-11月发表于Dictaat D26第227页的“Vliegeigenschappen 1”(″Vliegeigenschappen 1″p.227,Dictaat D26,okt.-nov.1981/代尔夫特技术大学的M.Baarspul于1977年6月在报告LR-248第6页的“六自由度运动系统的运动提示的生成”例如在y方向 其中Ay-centroid是比力相对于飞行器参考系在模拟器假想质心位置处的y分量,Ay-cg是比力在飞行器重心处的y分量,p是滚转角速度,q是俯仰角速度,r是偏航角速度,

是滚转角加速度,

是偏航角加速度,xc-ac是质心在飞行器参考系中的x坐标,而zc-ac是质心在飞行器参考系中的z坐标。在大多数情况下忽略zc-ac。
运动程序使用三个校正的比力分量Ax-centroid、Ay-centroid、Az-centroid和三个角速度(或加速度)p、q、r作为输入。运动程序的6个输出信号控制运动平台质心的位置(3个坐标)以及3个欧拉角。
滚转角加速度模拟(图9) 通过滚转高通滤波器(一阶或二阶)过滤与下调谐增益Kd相乘的滚动。协调途径是使用横向摇动以保持“重力对准”。为了将横向位置保持在模拟器边界内,将横向位置发送通过一般为二阶的去y滤波器。该程序的输出是模拟器滚转角

和质心位置。
这些滤波器是自适应的,意味着Kd可以依照给定的成本规则而连续自适应。
横向比力模拟(

图10) 在假想质心位置计算的横向比力乘以下调谐增益并在随后发送通过两个不同的滤波器高通位置滤波器和低通角度滤波器。这些滤波器在大多数情况下为二阶且并不互补。它们可以是自适应良好的。同样,这些滤波器的输出是‘质心位置’而非飞行员的位置。
现有技术中的至少具有摇动和滚转自由度的飞行模拟器总是如下运转当考虑仅依靠副翼输入的飞行协调翻转时,在机动操纵的开始,飞行员的感知似乎是对的。滚转开始以及横向比力开始都被感知。然而在不久以后,飞行员会注意到虚假的反向横向比力。这感觉上像是飞行器正在侧滑,但事实并非如此。
同样在地面滑行机动操纵期间,横向运动感知和视觉现象的相关性极小。人们常常会有在跑道上侧滑的印象。
这些问题会在随后更详细地阐述。
滚转机动操纵 考虑图11中对图6的副翼步进输入机动操纵的典型飞行模拟器运动响应。
在图中使用了会在大多数情况下使用的二阶滤波器。对滤波器的仅有输入来自滚转角速度。不存在对横向比力滤波器的输入,因为质心的z位置(zc-ac)在大多数情况下被忽略。
角滚转加速度(图11.4)示出了经高通滤波的滚转加速度的固有符号反转。
横向比力在飞行员的参考点P处的时间响应(图11.5)示出了以下特征 1°初始峰值是正确的。这一加速度是由于

前述的质心变换仅考虑了质心相对于飞行器重心(c.g.)的假想位置xc-ac。并没有考虑质心的垂直坐标zc-ac,也没有考虑飞行员的参考点P和质心c之间的垂直距离Δ,其中质心c即为模拟器平台的几何重心。因为飞行员在飞行器中的位置在初始滚转加速点之上并且因为模拟器被驱动围绕其质心滚转,所以初始横向比力在飞行器中(a/c)和模拟器中(sim)大致上相类似。
2°在这一初始峰值稍后是一个重要的反向虚假侧力。该虚假力对飞行模拟器的运动保真度不利。这可以在诸如“leaning,student on the pedals,not inphase”之类的文献中找出。(那斯罗蒲(Northrop)公司的J.B.Sinacori于1973年9月在AIAA论文73-931的第13页发表的“运动模拟的实用方法”(″Apractical approach to motion simulation″p13,AIAA paper 73-931,sept.1973)/系统技术有限公司(Systems Technology Inc)的Susan A.Riedel和L.G.Hofmann于1978年11月在第14届手动控制年会的会议论文集的第524、530页发表的“对于非线性运动模拟器清除方案的研究”(″Investigation of nonlinear motionsimulator washout schemes″p524,p530,Proceedings of the 14th AnnualConference on Manual Control,Nov.1978)/系统技术有限公司的Susan A.Riedel和L.G.Hofmann于1979年2月在STI-TR-1110-1,AFFDL-TR-78-192-FT-1第172页发表的“有人驾驶的工程飞行模拟器验证”(″Manned engineering flight simulator validation″p.172,STI-TR-1110-1,AFFDL-TR-78-192-FT-1,Feb.1979)/俄亥俄州代顿大学(University of Dayton)的David L.Quam于1979年11月在第15届手动控制年会的会议论文集的第263页发表的“人类飞行员感知实验”(″Human pilot perception experiments″p.263,Proceedings of the 15th Annual Conference on Manual Control,Nov.1979)/系统技术有限公司的Irving L.Ashkenas于1985年10月在AGARD CP408飞行模拟第16-26页发表的“收集的飞行和模拟比较与考虑”(″Collected flight andsimulation comparisons and considerations″p.16-26,AGARD CP408 FlightSimulation,Oct.1985))。
这一现象完全是由图9所示的去y滤波器的存在而引起的。如果不存在这一滤波器,平台动作将会维持完美协调。然而模拟器却会偏离方向。去y滤波器对于“唤回”模拟器是必需的,由此引入“un”协调。
现有方案中抑制这一现象的唯一方式是把增益Kd降低到很低的值。飞行员不会通过动作感知到任何运动,然而人们认为这比虚假运动损害更小。
地面滑行机动操纵 在地面滑行机动操纵期间,模拟的飞行器不滚转,因此只有横向比力滤波器起主要作用。
感知的运动总会存在失真当使用方向舵或前轮掌舵时,会感觉到初始响应(来自y高通滤波器)。当这逐渐消失时,则持续的横向加速度从

低通滤波器出现。两种动作并不完美地彼此融合,因为滤波器并不互补。
发明概述 本发明的目的是提供为飞行模拟器提供良好的横向运动提示保真度、具有这一良好横向运动提示保真度的飞行模拟器以及用于控制这类飞行模拟器的方法。本发明的目的是至少克服上述缺点的某一些。
以上目标由根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面,本发明提供控制飞行模拟器运动的方法,从而改善使用该飞行模拟器的飞行员的运动感知。
在第一方面的第一实施例中,本发明提供一种控制飞行模拟器运动的方法,它涉及由坐在飞行员座位上的飞行员所感知的线性和角加速度,藉此通过一种运动程序将依照一模拟飞行器模型计算的该模拟飞行器一固定点上的滚转角速度和偏航角速度以及横向方向上的比力转换成该模拟器的横向位置和滚转角。在此第一实施例中,本方法包括通过用校正因子校正初始计算的滚转角的值来计算由于模拟飞行器滚转角引起的模拟器滚转角,其中该校正因子与由在模拟器横向位置的地球重力对准计算期间所使用的去除滤波器引入的横向比力成比例。
计算模拟器的滚转角可以包括使用数学变换,这涉及依照以下公式的滚转角变换函数内校正角前馈

其中

等于经高通滤波的模拟器滚转角,

等于飞行员参考点P的横向位置加速度, g是地球重力常数, Ky是增益横向协调因子,以及

等于作为飞行器滚转加速度或滚转角速度结果的模拟器滚转角。
在所述数学变换中可以引入在0和1之间的横向协调因子Ky,通过在‘无协调’(Ky=0)和‘充分协调’(Ky=1)之间调制,以某种可接受的虚假横向比力为代价实现横向移位的缩短。滚转角可由引起Ky=1的三阶或四阶高通滤波器获取,且横向加速度每一次都等于该滚转角乘以地球加速度。
数学变换包括二阶滚转角高通滤波器和一阶去y滤波器,依照如下转移函数公式

其中pltd是由下调谐增益因子Kd和可任选的滚转角速度极限函数通过以下方式限制的输入滚转角速度对于副翼命令中的一步,模拟器的横向移位是有限值。
在根据本发明各实施例的一方法中,比力在横向方向上的第二分量可以依靠用于滚转加速度的第一组两个互补滤波器以及用于偏航加速度的第二组两个互补滤波器来获得。在每组互补滤波器中,一个是用于命令模拟器的横向偏移,而另一个则用于命令模拟器的滚转角。互补的滤波器依照以下的转移函数公式
以及
其中pltd和rltd分别是由下调谐增益因子Kp和Kr和可任选地由速度极限函数限制的输入滚转和偏航角速度。
在第一方面的第二实施例中,本发明提供一种控制飞行模拟器运动的方法,它涉及由坐在飞行员座位上的飞行员所感知的线性和角加速度,藉此通过一种运动程序将依照一模拟飞行器模型计算的该模拟飞行器固定一点的滚转角速度和偏航角速度以及横向方向上的比力转换成该模拟器的横向位置和滚转角。在第二实施例中,本方法包括 -根据以下公式将作用于模拟飞行器中飞行员参考点处的比力在横向上分解为第一分量和第二分量,其第一分量涉及模拟飞行器一固定点处的比力,而第二分量则具有与由于偏航引起的加速度有关的第一项以及与滚转角加速度有关的第二项 xpac是在以该模拟飞行器固定点为原点的参考系内飞行员参考点的x坐标,而zpac是所述参考系内飞行员参考点的z坐标,

是滚转角加速度,而

是偏航角加速度, -经由两个滤波器,即高通和低通滤波器来过滤第一分量Ay, -通过一组并联的第一和第二互补滤波器来过滤第二分量的每一项,其中互补滤波器是其转移函数之和为1的滤波器,以及 -使用高通滤波器与每组互补滤波器的第一滤波器的输出之和计算期望的模拟器横向位置,并且使用低通滤波器与每组互补滤波器的第二滤波器的输出之和计算期望的模拟器滚转角度。
在第一方面的第三实施例中,本发明提供一种控制飞行模拟器运动的方法,它涉及由坐在飞行员座位上的飞行员所感知的线性和角加速度,藉此通过一种运动程序将依照一模拟飞行器模型计算的该模拟飞行器一固定点的滚转角速度和偏航角速度以及横向方向上的比力转换成该模拟器的横向位置和滚转角。在第三实施例中,本方法包括依靠现有技术方法或依靠第一和第二方面的任何方法或依靠其组合,将经由运动程序获取的模拟器内的飞行员参考点的位置变换成模拟器质心的位置。这可以通过考虑模拟器三个欧拉角偏航(ψ)、俯仰(θ)和滚转(

)角的协调变换实现。
第三实施例的方法还可以包括将根据所述飞行器的模型计算出的在模拟飞行器的固定点的比力变换成作用于飞行员参考点处的比力,随后将这一经变换的比力作为运动程序的输入,并且通过从飞行员的参考点到模拟器质心位置的位置变换而将该运动程序的输出变换为命令模拟器质心位置的信号。第一变换可依据下式,通过从飞行器固定点处的比力到飞行员的参考点P的数学变换来执行 命令模拟器平台质心位置的运动信号可以根据下式从运动输出飞行员参考点P的位置获得 而
如下的简化方程可以代替质心的y分量yc
Δ是飞行员参考点和模拟器质心之间的垂直距离,而

是滚转角。
第一方面的第一、第二和第三实施例及其相关特征可以是分开的实施例,也可以彼此结合。
在本发明的实施例中,模拟飞行器的固定点可以是所述模拟飞行器的重心。固定点的其它可用点是在飞行器上重心附近的其他固定点。
在第二方面,本发明提供一种计算机程序产品,当在与对飞行器进行模拟的飞行模拟器相关联的计算设备上执行时,会执行在前述权利要求中要求保护的任何方法。计算机程序产品在与飞行模拟器相关联的计算设备上执行时提供根据本发明的任何上述方法的功能。计算机程序可以是计算机软件产品(即,载体介质)的一部分,而该计算机软件产品则包括能够引起诸如处理系统的CPU之类的处理器执行方法各步骤的一个或多个代码段。程序在操作系统下运行,并且可以包括能使用户与该程序交互的用户界面。飞行模拟器程序对载入数据(例如,预先确定的飞行方案)进行操作,并生成用于控制飞行模拟器平台的运动的控制数据。
在第三方面,本发明提供了一种以机器可读形式存储本发明的计算机程序产品的机器可读数据存储设备或载体介质,并且当所述计算机程序产品在计算设备上执行时执行本发明的方法的至少一个。当今,这些软件通常在因特网或公司内联网上提供以供下载,因此本发明包括经由局域网或广域网传输根据本发明的印刷计算机产品。计算设备可以包括微处理器和FPGA之一。
在此使用的术语“载体介质”和“计算机可读介质”指的是参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。这一介质可以具有各种形式,包括但不限于,非易失性介质、易失性介质以及传输介质。非易失性介质可包括例如光盘或磁盘,诸如作为大容量存储一部分的存储设备。易失性介质包括诸如RAM的动态存储器。传输介质包括同轴电缆、铜导线和光纤,这包括含有计算机内总线的各类导线。传输介质也可以具有声波或光波的形式,诸如那些在无线电波和红外数据通信期间生成的波。
计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁性介质;CD-ROM或任何其他光学介质;穿孔卡片、纸带或任何其他带有孔图案的物理介质;RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM(闪存-EPROM)或任何其他存储器芯片或盒式磁带;诸如下文中所述的载波;或者计算机可读的任何其他介质。
计算机可读介质的各种形式可用于将一个或多个指令的一个或多个序列载入处理器以供执行。例如,最初,各指令可以承载在远程计算机的磁盘上。远程计算机可以将指令载入其动态存储器并使用调制解调器经电话线发送该指令。用于控制模拟器平台的计算机系统的本地调制解调器可以接收电话线上的数据并且使用红外发送器将数据转换成红外信号。耦合至总线的红外检测器能够接收红外信号所携带的数据,并将数据置于总线上。总线将数据载入主存储器,处理器从中检索和执行指令。由主存储器接收的指令能够可任选地在处理器执行之前或之后存储在存储设备上。指令还可以经由诸如LAN、WAN或因特网之类的网络内的载波传输。传输介质也可以采用声波或光波的形式,诸如那些在无线电波和红外数据通信期间生成的波。传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤,这包括形成计算机内总线的导线。
在又一方面,本发明提供用于控制飞行模拟器的运动的控制器,涉及由坐在飞行员座位上的飞行员所感知的线性和角加速度, 藉此通过一种运动程序将依照一模拟飞行器模型计算的该模拟飞行器一固定点的滚转角速度和偏航角速度以及横向方向上的比力转换成该模拟器的横向位置和滚转角, 其中控制器包括以下的任一个 第一计算器,适于通过用校正因子校正滚转角的初始计算值来计算由于模拟飞行器滚转角引起的模拟器滚转角,其中该校正因子与在模拟器横向位置的地球重力对准计算期间使用的去除滤波器引入的横向比力成比例, 和/或 -第二计算器,适于根据以下公式将作用于模拟飞行器中飞行员参考点处的横向比力分解为第一分量和第二分量,其第一分量涉及模拟飞行器一固定点处的比力,而第二分量则具有与由偏航引起的加速度有关的第一项以及与滚转角加速度有关的第二项 xpac是在以该模拟飞行器固定点为原点的参考系内飞行员参考点的x坐标,而zpac是所述参考系内飞行员参考点的z坐标,

是滚转角加速度,而

是偏航角加速度, -用于过滤第一分量Ay的高通滤波器和低通滤波器, -两组的第一和第二互补滤波器,互补滤波器是其转移函数之和为1的滤波器,用于并联地过滤第二分量的每一项, -将高通滤波器的输出与每组互补滤波器的第一滤波器的输出进行组合以计算期望的模拟器横向位置的组合器,以及将低通滤波器的输出与每组互补滤波器的第二滤波器的输出进行组合以计算期望的模拟器滚转角度的组合器。
和/或依靠现有技术方法或依靠第一和第二方面的任何方法或依靠其组合,将经由运动程序获取的模拟器内飞行员参考点的位置变换成模拟器质心位置的变换器。
在又一方面,本发明提供一种适于执行受控运动的飞行模拟器,涉及由坐在飞行员座位上的飞行员所感知的线性和角加速度,藉此通过一种运动程序将依照一模拟飞行器模型计算的该模拟飞行器一固定点的滚转角速度和偏航角速度以及横向方向上的比力变换成该模拟器的横向位置和滚转角, 其中飞行模拟器包括以下的任一个 第一计算器,适于通过用校正因子校正滚转角的初始计算值来计算由模拟飞行器滚转角引起的模拟器滚转角,其中该校正因子与在模拟器横向位置的地球重力对准计算期间使用的去除滤波器引入的横向比力成比例, 和/或-第二计算器,适于根据以下公式将作用于模拟飞行器中飞行员的参考点处的横向比力分解为第一分量和第二分量,其第一分量与模拟飞行器一固定点处的比力相关,而第二分量则具有与由偏航引起的加速度有关的第一项以及与滚转角加速度有关的第二项 xpac是在以该模拟飞行器固定点为原点的参考系内飞行员参考点的x坐标,而zpac是所述参考系内飞行员参考点的z坐标,

是滚转角加速度,而

是偏航角加速度, -用于过滤第一分量Ay的高通和低通滤波器, -两组第一和第二互补滤波器,互补滤波器是其转移函数之和为1的滤波器,用于并联地过滤第二分量的每一项, -将高通滤波器的输出与每组互补滤波器的第一滤波器的输出进行组合以计算期望的模拟器横向位置的组合器,以及将低通滤波器的输出与每组互补滤波器的第二滤波器的输出进行组合以计算期望的模拟器滚转角度的组合器。
和/或 依靠现有技术方法或依靠第一和第二方面的任何方法或依靠其组合,将经由运动程序获取的模拟器内飞行员参考点的位置变换成模拟器质心位置的变换器。
本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的技术特征可以与独立权利要求的技术特征相结合或适当地与其他从属权利要求中的技术特征相结合,而不仅仅是其在权利要求中明确阐明的那样。
可以确信本发明的概念表示了实质上的新颖改进,包括相对于现有实践的背离,从而得到在地面和空中的横向机动操纵期间经改进的运动提示保真度。
本发明的教示允许设计经改进的飞行模拟器以及用于控制飞行模拟器的方法。
本发明的上述和其他特性、特征和优点将在以下结合附图的详细描述中变得显而易见,在附图中以示例性的方式示出了本发明的原理。该描述只作为示例目的,并非限制本发明的范围。下文引用的参考对附图进行参考。
附图简述 图1飞行器参考系 图2模拟器参考系的固定平台 1模拟器的质心 2上运动平台 3下运动平台 图3运动的平台参考系 1初始质心位置 2运动的质心 3静止的上运动平台 4运动中的上运动平台 5下运动平台 图4飞行员参考点-平台质心-飞行器重心(c.g.) 1飞行器 2假想的位置模拟器 P飞行员参考点 c质心 c.g.重心 相对于飞行器c.g.协调飞行员参考点 相对于质心c协调飞行员参考点 相对于飞行器c.g.协调质心 图5在运动的平台的点P处y方向的比力 1运动的平台 图6用于副翼中一步的飞行器时间关系曲线 6.1副翼输入(°) 6.2滚转角速度(°/sec) 6.3滚转加速度(°/sec2) 图7由于副翼输入引起的瞬时滚转轴 1飞行器 2瞬时滚转轴 图8流程图“经典”变换 图9经典滤波器,滚转通道 图10经典滤波器,横向比力通道 图11飞行模拟器时间关系曲线经典滤波器 11.1横向位置质心(m) 11.2横向加速度质心(m/sec2) 11.3滚转角(°) 11.4滚转加速度(°/sec2) 11.5比力Ay-p(m/sec2) 图12根据本发明一实施例的流程图“校正”变换 图13根据本发明一实施例的引入

的滚转通道 图14根据本发明一实施例的具有Ay分解和互补滤波器的横向比力通道 1互补滤波器,由于滚转加速度引起的Ay-pilot 2互补滤波器,由于偏航加速度引起的Ay-pilot 图15根据本发明一实施例的使用“

前馈”的飞行模拟器时间关系曲线 15.1横向位置点P(m) 15.2横向加速度点P(m/sec2) 15.3滚转角(°) 15.4滚转加速度(°/sec2) 15.5比力Ay-p(m/sec2) 图16根据本发明一实施例完成新概念Ky=1的飞行模拟器时间关系曲线 16.1横向位置点P(m) 16.2横向加速度点P(m/sec2) 16.3滚转角(°) 16.4滚转加速度(°/sec2) 16.5比力Ay-p(m/sec2) 图17根据本发明一实施例完成新概念Ky=0.8的飞行模拟器时间关系曲线 17.1横向位置点P(m) 17.2横向加速度点P(m/sec2) 17.3滚转角(°) 17.4滚转加速度(°/sec2) 17.5比力Ay-P(m/sec2) 图18根据本发明一实施例的滚转角速度极限函数的示例 图19用于本发明的计算机系统的示图 图20飞行模拟器的示图 说明性实施例的描述 虽然将关于具体实施例并参考特定附图描述本发明,但是本发明不限于此而仅由权利要求来限定。所示附图只是示意性而非限制性的。在附图中,出于说明目的,将某些元素的尺寸放大且未按比例绘出。尺寸和相对尺寸并不对应于为实践本发明的实际缩减。
此外,在说明书和权利要求书中术语第一、第二、第三和类似描述用于在类似元素间加以区别,而没有必要描述顺序或时间次序。应该理解如此使用的这些术语在合适环境下可以互换,并且在此描述的本发明的实施方式能够以除了本文描述或示出的之外的其他顺序来操作。
应该注意到权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限制在其后所列措施;它并不排除其他的元素或步骤。于是解释为将所陈述的特征、整数、步骤或分量指定为引用,但是并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或分量、或其组合的出现或添加。于是,“一种设备包括项A和B”的表达范围不应限于仅由组分A和B组成的设备。它意味着相关于本发明,该设备的最相关组分是A和B。
定义和注解 单独提供以下各项以便于理解本发明。不应该将这些定义解释为具有小于本领域普通技术人员所理解的范围。
a/c 飞行器 A方向余弦矩阵 Ax 比力x分量 Ay 比力y分量 Az 比力z分量 Ay-centroid 相对于a/c参考系在假想质心位置处的Ay Ay-cga/c c.g.处的Ay Ay-pilot 相对于a/c参考系的Ay飞行员 Ay-p 在模拟器内飞行员参考点P处的Ay c质心,运动平台的几何重心 c.g. 重心 d在P和滚转角加速度轴之间的距离 g地球重力,9.81m/sec2 k增益 Kd 下调谐增益滚转通道 Kp 下调谐增益Ay通道,滚转输入 Kr 下调谐增益Ay通道,偏航输入 Khp 下调谐增益经典y高通滤波器 Klp 下调谐增益经典

低通滤波器 Ky 增益横向协调 p滚转角速度 P拉普拉斯算子(表示d/dt);飞行员参考点 p-lim滚转角速度极限 p-ltd有限的滚转角速度 q俯仰角速度 r偏航角速度 r-lim偏航角速度极限 r-ltd有限的偏航角速度 xc-aca/c参考系内质心的x坐标 zc-aca/c参考系内质心的z坐标 xp-aca/c参考系内P的x坐标 zp-aca/c参考系内P的z坐标 xp-c 运动的平台系内P的x坐标 zp-c 动的平台系内P的z坐标 yy坐标 y-c 固定平台参考系内质心的y坐标 y-p 固定平台参考系内飞行员参考点P的y坐标 δ 副翼控制轮偏转(deg) ψ 偏航角 θ 俯仰角

滚转角

滚转角高通滤波器

滚转角校正新概念 Δ 在飞行员参考点P和平台质心c之间的垂直距离 τ 时间常数(sec) ω 角频率(rad/sec) ξ 阻尼比率 Cn 偏航力矩系数 Ci 滚转力矩系数

d/dt(α)=参数(α)相对于时间的一阶导数

d/dt2(α)=参数(α)相对于时间的二阶导数 参考系 所有的参考系都是右旋的,x朝前,y朝右,z朝下。
在图1中,示出了原点位于诸如重心c.g.的固定点处的飞行器参考系。在图2中,示出了原点位于质心初始位置处的固定平台参考系。图3示出了原点在质心处的运动的平台参考系。
飞行员参考点P(图4) 假定要发生运动感知的点。运动是通过内耳的半规管感知的。然而,也存在其他的触觉运动感知(也称为“凭直觉(seat of the pants)”)。因此,假设点P位于两个飞行员之间从他们头到坐垫的半高位置。在典型的飞行模拟器中,飞行员的参考点P和模拟器质心c之间的距离Δ为1.00至1.75m。
比力(m/sec2) 给定方向的比力等于可由线性加速计在该方向上测得的线性加速度。它等于运动学上的加速度和由重力引起的加速度之间的向量差。运动的平台上给定点P处的比力(Ay-p)由3个分量组成质心加速度(

)、由角加速度引起的加速度、以及重力分量
飞行中的飞行器模型 根据Technische Hogeschool Delft的H.Wittenberg发表于1979年10的备忘录M-319第5-7页的“Elementaire beschouwing over de samenhang tussenbesturing,stabiliteit en demping bij vliegtuigen”(Memorandum M-319,Oct.1979,p.5-7)使用一阶近似,所使用的转移函数如下 这是协调翻转模拟的良好近似(在飞行器c.g.处没有y比力)。
图6示出了在接近配置中用于B737-300飞行器的副翼一步的飞行器响应,τac=0.67秒。
注意到所有的时间关系曲线都以10秒为周期进行计算。
滚转角速度(图6.2)渐进地靠近其端值,而滚转加速度(图6.3)则示出了初始的峰值逐渐减小为零。
应该注意到飞行员参考点P处的横向比力呈现出与图6.3中滚转加速度完全相同的特性如果xp-ac和zp-ac是a/c参考系内点P的坐标(图4),则可以根据Technische Hogeschool Delft的O.H.Gerlach于1981年10-11月发表于Dictaat D 26第227页的“Vliegeigenschappen 1”示出 对于较小的角速度 作为滚转角加速度结果的横向比力为 注意到如果假设副翼不仅导致滚转还导致偏航力矩,则在此情况下,用于计算由角加速度引起的横向比力的杠杆距离d可以如下估算(图7) 如果Cnδ和C1δ已知(例如,作为进攻角的函数),则该值就可用来代替zp-ac。
现将通过本发明各实施例的详细描述来讨论本发明。应该清楚本发明的其它实施例也可依据本领域普通技术人员的知识进行配置而不背离本发明的真正精神或技术示教,本发明仅由所附权利要求书的各项所限。
模拟器平台可以是周知的常规设计。这一模拟器平台的一个实施例在图20中示出。本发明还可应用于至少具有以下两个自由度的任何设计横向位移(摇动)和滚转角。
只需要根据本发明的各实施例调节对其的控制。
根据本发明实施例的新运动概念是以三个基本改变中的任一或其组合为基础的 1°/图12校正质心变换 2°/图13在滚转通道内引入
3°/图14分解Ay并添加互补滤波器 校正质心变换,图12 以上讨论的质心变换(在“发明背景”中)存在一个主要错误。因为平台的运动是经过滤的质心c的运动,并且因为飞行员参考点P不位于质心c,所以会经由对平台的角加速度以及在质心c和飞行员参考点P之间x和z方向上的距离进行组合而在飞行员参考点P处产生虚假加速度。
因此,根据本发明的实施例,经改进的变换如下 1°/人们不应该计算a/c内假想质心位置c(如图8所示)处的比力,而应计算飞行员的参考点P(图12)处的比力 2°/这些信号将与角速度一并用作模拟器运动程序的输入。
3°/来自该运动程序的三个位置输出信号可被认为是飞行员参考点P的命令位置。它们应如下朝质心的命令位置变换 令相对于运动的平台参考系的飞行员参考点P的坐标为 根据Technische Hogeschool Delft的Filip Van Biervliet发表于1982年三月bijlage 2 Ingenieursverslag的“Ontwerp en evaluatie van stuurcommandosysteem-regelwetten met de quickened display methode”(bijlage 2 Ingenieursverslag,maart1982),在固定平台参考系中P和c的坐标之间保持以下关系 当A=方向余弦矩阵时
得到 在y方向上
仅考虑zp-c的影响,并假设ψ、θ和

的值较小

在滚转通道内引入

图13 考虑图13并将其与图9相比。根据本发明的实施例,滤波器的这种排列被设计成以减小的或是零虚假横向比力来模拟角滚转加速度。
这一图示的新颖之处在于对滚转通道的滚转角校正

的前馈。滚转角校正

与由去y滤波器引入的虚假横向比力成比例。这是一低频信号。从物理观点看,这意味着平台与其线性减速度成比例地向后靠(这与侍者在突然被迫停止时不得不使其服务盘向后靠的原理相同)。
横向协调因子Ky(在0和1之间)是用来减轻模拟器的横向摇动的。
它遵循这一方案



这意味着如果增益横向协调Ky=1,则比力的y分量Ay=0,即完美的协调。
图15中示出了Ky=1的时间响应。它清楚地示出了Ay=0。然而也可以发现角滚转加速度的畸变略多(比较图11.4和图15.4)。
如果Ky=1,则显然图13中由星号*着重的两个信号路径将彼此抵消。这意味着总的

滤波器可以简化为与去y滤波器串联的

滤波器。
这也是将去y滤波器优选为一阶而非二阶或更高阶的原因。这样,总滤波器是三阶而非四阶。四阶或更高阶的总的

滤波器会导致滚转角加速度更多畸变。
把Ky减小为0.7至0.8会降低横向协调;然而,这也会导致更小的滚转角加速度畸变。
可以使用拉普拉斯“端值”定理示出,对于一个步骤响应 这意味着恒定的滚转角速度(来自恒定的副翼输入)会导致恒定的模拟器位移。如果总滤波器的次序,即

和去y滤波器之和已经是4阶或更高阶,则 所以选择总滤波器为三阶,即二阶的

和一阶的去y滤波器或者一阶的

和二阶的去y滤波器的第二个优点在于现在在机动操纵之后,模拟器已准备好接收随后的机动操纵副翼回到中间或相反位置。
Ay的分解和互补滤波器的添加,图14 根据先前给出的公式,飞行器内飞行员座位处的横向比力是该飞行器固定点(例如,其重心)处横向比力与该固定点(例如,其重心)之前和之上的飞行员位置的加速度之和。
对横向比力的良好近似已经在定义部分给出,其中只考虑由角加速度引起的加速度 可以发现二阶互补滤波器不可用于总信号或用于c.g.处的Ay。然而因为信号p和r(是加速度的积分)可用,所以根据本发明的各示例,它们可用作二阶互补滤波器的输入信号。这在图14中示出。仅有固定点(例如,重心)处的横向比力仍然被发送通过经典滤波器。
互补意味着它们的转移函数之和等于1,或者换言之,在其完整频率内容上考虑输入信号。开始时给出横向位移、滚转角的较低频率。例如,对于由滚转加速度引起的比力
于是
注意到对于经典飞行器,zpac<0。
可以用拉普拉斯“初始值”定理示出
这意味着在a.c.角加速度(滚转或偏航)中的正步长导致模拟器的负步长角滚转加速度响应。在模拟仅滚转的机动操纵的情况下,来自比力模拟的滚转加速度降低了来自图13滚转电路的滚转加速度响应。因此需要将ω1选择成尽可能低,以尽可能多地降低这一效应。
再次使用拉普拉斯“端值”定理,得到 这意味着给定的滚转或偏航角速度将会导致有限的横向模拟器位置。这种分解信号并使用分开滤波器的方法的独特优势在于对这些滤波器的调谐可以适用于典型的机动操纵偏航滤波器可以适于地面滑行和发动机故障,而用于协调翻转的滚转滤波器则结合滚转角校正

的概念。
注意到来自‘滚转通道’(图13)的位置和角度与‘Ay比力滤波器’(图14)不得不彼此添加以获取总位置和角度。因为这是飞行员参考点P的位置,所以随后则优选地根据本发明的实施例依照以上给出的等式(图12)将其转换成质心位置。
讨论 滚转机动操纵 在图16和图17中给出了根据依照本发明实施例的完整概念的几个时间关系曲线,即校正质心变换、滚转角校正和Ay分解的引入以及互补滤波器的添加的组合。将最大横向移位选为典型值1.20m。于是可以做出以下观察 1°/如果选择Ky=1(图16),则在模拟器内飞行员参考点P处的横向比力感知Ay将正好与其在飞行器内的值成比例(增益Kd)(图16.5)。
2°/如果选择Ky略有减小,例如Ky=0.8(图17),则Ay信号会略有畸变(图17.5),而与此同时,所需的横向移位减小(图17.1相比于图16.1)并且滚转角加速度

的响应略有改善(图17.4相比于图16.4)。
为了决不超出模拟器的最大可用移位,可以根据本发明的实施例添加速度极限函数(图1 8) 如果p>2Plim,则Pltd=Plim 如果p<2Plim,则Pltd=-Plim 该函数对时间的二阶导数是连续的。
地面滑行机动操纵 本文没有包括时间关系曲线。
特别是在减小的地面滑行速度下,cg处的Ay是“固有的低频”,即主轮轮胎上的侧力没有陡然变化。因此,该方案的大多数益处在这种速度下变得显而易见。
本发明的上述方法实施例可以在诸如图19所示的处理系统1500中实现。图19示出了处理系统1500的一种配置,包括耦合至存储器子系统1505的至少一个可编程处理器1503,而该存储器子系统1505则包括至少一种形式的存储器,例如RAM、ROM等。可以包括具有至少一个盘驱动器和/或CD-ROM驱动器和/或DVD驱动器的存储子系统1507。在某些实现中,显示系统、键盘或定点设备可以被包括,作为用户界面子系统1509的一部分,供用户手动输入信息。也可以包括用于输入和输出数据的端口。虽然未在图19中示出,但也可包括诸如网络连接、对各种设备的接口等的更多元件。处理系统1500的各种元件可以按各种方式耦合,例如通过图19所示的总线子系统1513,虽然为简洁起见仅示出了单根总线,但是本领域普通技术人员应该理解这包括具有至少一条总线的系统。存储器子系统1505的存储器在某些时候可以存有一组指令的部分或全部(在如1511所示的任一情况下),而该组指令在处理系统1500上执行时将会实现本文描述的方法实施例的各步骤。因此,虽然诸如图19所示的处理系统1500是现有技术,但是包括了实现本发明各方面的指令的系统并不是现有技术,因此图19未被标记为现有技术。
注意到处理器1503或多个处理器可以是通用处理器或专用处理器,并且可以包含在一器件内,诸如具有执行其他功能的其他组件的芯片。于是,本发明的一个或多个方面可以实现为数字电子电路,计算机硬件、固件、软件或它们的组合。此外,本发明的各方面可以实现为确实在载有机器可读代码以供可编程处理器执行的载体介质中具体化的计算机程序产品。本发明各方面的方法步骤可通过由可编程处理器执行能实现本发明各方面的功能的指令来实现,例如通过对输入数据进行操作并生成输出数据。
以上的处理系统可用于例如图20所示的飞行模拟器内。
将会理解,虽然已在此讨论了根据本发明的方法和设备的较佳实施例,但是仍然可以做出各种形式和细节上的变化和修改而不背离本发明范围和精神。
权利要求
1.一种控制飞行模拟器运动的方法,涉及由坐在飞行员座位上的飞行员所感知的线性和角加速度,
藉此通过运动程序将依照一模拟飞行器模型计算的所述模拟飞行器一固定点的滚转角速度(p)和偏航角速度(r)以及横向方向上的比力(Ay)转换成所述模拟器的横向位置(y)和滚转角(
),
其中所述方法包括以下步骤中的任一个
通过用校正因子(
)校正由模拟飞行器滚转角引起的所述模拟器滚转角(
)的初始计算值(
)来计算所述滚转角(
),其中所述校正因子(
)与由在所述模拟器横向位置(y)的地球重力对准计算期间使用的去除滤波器所引入的横向比力成比例,
和/或
-根据以下公式将作用于所述模拟飞行器中飞行员参考点处的横向比力(Aypilot)分解为第一分量和第二分量,所述第一分量与在所述模拟飞行器一固定点处的比力(Ay)相关,而所述第二分量则具有与由偏航(r)引起的加速度有关的第一项以及与滚转(p)角加速度有关的第二项
xpac是在以所述模拟飞行器固定点为原点的参考系内所述飞行员参考点(P)的x坐标,而zpac是所述参考系内所述飞行员参考点的z坐标,
是所述滚转角加速度,而
是偏航角加速度,
-经由两个滤波器,即高通和低通滤波器来过滤所述第一分量(Ay),
-通过一组并联的第一和第二互补滤波器来过滤所述第二分量的每一项,其中互补滤波器是其转移函数之和为1的滤波器,
-使用所述高通滤波器与每组所述互补滤波器的第一滤波器的输出之和计算所述期望的模拟器横向位置(y),并且使用所述低通滤波器与每组所述互补滤波器的第二滤波器的输出之和计算所述期望的模拟器滚转角度(
)
和/或
将通过所述运动程序获得的在所述模拟器内的飞行员参考点(P)的位置变换成所述模拟器的质心位置。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括将依据在所述模拟飞行器模型计算的所述飞行器固定点的比力(Aycg)变换成作用于所述飞行员参考点(P)处的比力(Aypilot),并将这一经变换的比力(Aypilot)作为所述运动程序的输入,并且通过从所述飞行员参考点(P)到所述模拟器质心位置的位置变换而将所述运动程序的输出转换成命令所述模拟器质心位置的信号。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,依据下式,数学变换将所述飞行器固定点处的比力变换到所述飞行员参考点P
4.如权利要求2或3中任一项所述的方法,其特征在于,命令模拟器质心位置的运动信号根据下式从所述运动输出的飞行员参考点P的位置获得
其中
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,如下的简化方程代替yc
Δ是在所述飞行员参考点和所述模拟器质心之间的垂直距离,而
是所述模拟器的滚转角。
6.如以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,计算所述模拟器的滚转角(
)包括,使用涉及在依照以下公式的滚转角变换函数内校正角(
)前馈的数学变换
其中
等于经高通滤波的模拟器滚转角,
等于所述飞行员参考点P的横向位置加速度,
g是地球重力常数,
Ky是增益横向协调因子,以及
等于作为飞行器滚转加速度或滚转角速度结果的所述模拟器滚转角。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,在所述数学变换中引入在0和1之间的横向协调因子Ky,通过在‘无协调’(Ky=0)和‘充分协调’(Ky=1)之间进行调制,而允许以某些可接受的虚假横向比力为代价来缩短横向移位。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述滚转角(
)由三阶或四阶高通滤波器获得,而横向加速度每次都等于这一滚转角(
)乘以地球加速度(g)。
9.如权利要求6至8任一项所述的方法,其特征在于,根据以下转移函数公式,所述数学变换涉及二阶滚转角(
)高通滤波器和一阶去y滤波器
其中pltd=由下调谐增益因子Kd和可任选的滚转角速度极限函数通过以下方式限制的输入滚转角速度对于副翼命令中的一步,所述模拟器的横向移位是有限值。
10.如以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述横向比力的第二分量依靠四个附加滤波器获得用于滚转加速度的第一组两个互补滤波器以及用于偏航加速度的第二组两个互补滤波器,在每组互补滤波器中,依照以下的转移函数公式,一个用于命令模拟器的横向偏移,而另一个则用于命令模拟器的滚转角
以及
其中pltd和rltd分别是由下调谐增益因子Kp和Kr和可任选的速度极限函数限制的输入滚转和偏航角速度。
11.如以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述模拟飞行器的固定点是所述模拟飞行器的重心。
12.一种计算机程序产品,当在与对飞行器进行模拟的飞行模拟器相关联的计算设备上执行时,会执行以上权利要求中任一项中要求保护的方法中的任一种。
13.一种承载权利要求12所述的计算机程序产品的机器可读数据存储设备。
14.一种经由局域或广域电信网对权利要求12所述的计算机程序产品的传输。
15.一种用于控制飞行模拟器运动的控制器,涉及由坐在飞行员座位上的飞行员所感知的线性和角加速度,
藉此通过运动程序将依照一模拟飞行器模型计算的所述模拟飞行器一固定点的滚转角速度(p)和偏航角速度(r)以及横向上的比力(Ay)转换成所述模拟器的横向位置(y)和滚转角(
),其中所述控制器包括以下中任一项
第一计算器,适于通过用校正因子(
)校正由模拟飞行器滚转角引起的所述模拟器滚转角(
)的初始计算值(
)来计算所述滚转角(
),其中所述校正因子(
)与由在所述模拟器横向位置(y)的地球重力对准计算期间使用的去除滤波器所引入的横向比力成比例,
和/或
-第二计算器,适于根据以下公式,将作用于所述模拟飞行器中飞行员参考点处的横向比力(Aypilot)分解为第一分量和第二分量,所述第一分量与在所述模拟飞行器一固定点处的比力(Ay)相关,而所述第二分量则具有与由偏航(r)引起的加速度有关的第一项以及与滚转(p)角加速度有关的第二项
xpac是在以所述模拟飞行器固定点为原点的参考系内所述飞行员参考点(P)的x坐标,zpac是所述参考系内所述飞行员参考点的z坐标,
是滚转角加速度,
而是偏航角加速度,
-用于过滤所述第一分量(Ay)的高通滤波器和低通滤波器,
-两组的第一和第二互补滤波器,互补滤波器是其转移函数之和为1的滤波器,用于并联地过滤所述第二分量的每一项,
-将所述高通滤波器的输出与每组所述互补滤波器的第一滤波器的输出进行组合以计算所述期望的模拟器横向位置(y)的组合器,以及将所述低通滤波器的输出与每组所述互补滤波器的第二滤波器的输出进行组合以计算所述期望的模拟器滚转角(
)的组合器
和/或
变换器,用于将通过所述运动程序获得的在所述模拟器内的飞行员参考点(P)的位置变换成所述模拟器的质心位置。
16.一种适于执行受控运动的飞行模拟器,涉及由坐在飞行员座位上的飞行员所感知的线性和角加速度,
藉此通过运动程序将依照一模拟飞行器模型计算的所述模拟飞行器一固定点的滚转角速度(p)和偏航角速度(r)以及横向比力(Ay)转换成所述模拟器的横向位置(y)和滚转角(
),
其中所述飞行模拟器包括以下任一项
第一计算器,适于通过用校正因子(
)校正由模拟飞行器滚转角引起的所述模拟器滚转角(
)的初始计算值(
)来计算所述滚转角(
),其中所述校正因子(
)与由在所述模拟器横向位置(y)的地球重力对准计算期间使用的去除滤波器所引入的横向比力成比例,
和/或
-第二计算器,适于根据以下公式,将作用于所述模拟飞行器中飞行员参考点处的横向比力(Aypilot)分解为第一分量和第二分量,所述第一分量与在所述模拟飞行器一固定点处的比力(Ay)相关,而所述第二分量则具有与由偏航(r)引起的加速度有关的第一项以及与滚转(p)角加速度有关的第二项
xpac是在以所述模拟飞行器固定点为原点的参考系内所述飞行员参考点(P)的x坐标,zpac是所述参考系内所述飞行员参考点的z坐标,
是滚转角加速度,
而是偏航角加速度,
-用于过滤所述第一分量(Ay)的高通滤波器和低通滤波器,
-两组的第一和第二互补滤波器,互补滤波器是其转移函数之和为1的滤波器,用于并联地过滤第二分量的每一项,
-将所述高通滤波器的输出与每组所述互补滤波器的第一滤波器的输出进行组合以计算所述期望的模拟器横向位置(y)的组合器,以及将所述低通滤波器的输出与每组所述互补滤波器的第二滤波器的输出进行组合以计算所述期望的模拟器滚转角(
)的组合器
和/或
变换器,用于将通过所述运动程序获得的在所述模拟器内的飞行员参考点(P)的位置变换成所述模拟器的质心位置。
全文摘要
本发明涉及一种控制飞行模拟器运动的方法,包括由坐在飞行员座位上所感知的线性和角加速度,并且包括通过所述加速度进行的横向位置y和滚转角φ的数学变换,其中该数学变换与以下至少一个校正一起使用将由y位置去除引起的比力误差前馈到滚转角变换函数中;分解飞行员位置处的比力并附加互补滤波器,以再现飞行员座位上由横向加速度引起的合适侧力;将飞行器和飞行模拟器内的飞行员位置链接到基于运动的质心的数学变换。
文档编号G05B19/408GK101305328SQ200680037804
公开日2008年11月12日 申请日期2006年10月12日 优先权日2005年10月12日
发明者菲利普·范比尔夫列特 申请人:菲利普·范比尔夫列特
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