飞行事故模拟环境下飞行员无缝介入方法与系统与流程

本发明公开了飞行事故模拟环境下飞行员无缝介入方法与系统，属于飞行模拟的技术领域。

背景技术：

以往的飞行事故分析往往是基于数据的分析，对事故飞机的fdr和cvr数据进行人工分析得到其中一些特殊事件，找出事故原因的蛛丝马迹。随着飞机系统的日益复杂，事故原因五花八门，很多飞行事故原因直到多年后才揭开谜底，甚至多家飞机以相同原因失事，才最终找到事故原因。如著名的联合航空585，全美427，东风航空517的波音737飞机方向舵失灵事故，事故原因是由于方向舵遇到强大温差后卡住令驾驶舱内控制转向的脚踏失灵，直到摔了三架飞机才找到罪魁祸首。在借助高仿真度的飞行模拟设备进行事故调查后，可以进一步研究更先进的飞行事故非正常事件的分析方法，这方面美国和欧洲都进行了相应的探索，美国nasa的verticalmotionsimulator经过改装后就针对几起波音的飞行事故进行了事故原因的调查。但在驾驶模拟环境中如何进行高效准确的事故分析，至今还未见有系统的研究成果，事故原因分析和调查还停留在原始数据分析和经验总结层面。

目前，飞行事故调查一般采取事故飞行数据回放的手段，但飞行事故记录的飞行操作和驾驶员操作输入之间的关系内含飞行动力学，有时不能单纯从飞行数据直接推断飞行事故原因，需要进行反复的飞行员介入推演才能确定当时的事故现场。

在对已发生的飞行事故进行事故调查的过程中，可以根据飞行数据记录器（fdr）驾驶和驾驶舱话音记录器（cvr）记录的数据，通过模拟驾驶环境实现事故发生时的驾驶舱环境再现，包括仪表显示、舱音播放、主操纵部件运动等。但是由于断电、剧烈震动、飞行姿态异常等原因，关键的最后几秒或更长时间的数据没有被记录下来或记录错误，需要利用飞行事故仿真模型进行模拟，根据前面的数据推演后面可能发生的情景。因此往往需要飞行员直接介入操纵，这时相当于切断了自主运行再现的过程，变为人工操纵的方式，但所有的飞行状态仍然延续。如果采用状态冻结再继续的方式，这会造成仿真中断，降低临场感，打断事故分析者的思路，需要设计无缝的方式让机组介入操纵,实现事故环境再现和自主操纵模拟的光滑过渡。如何针对一个典型的飞行事故，对常见的事故原因都进行快速的再现模拟分析，机组进行介入推演进行原因排除，是一个需要进行系统而细致研究的领域。所以研究飞行事故模拟环境下有效的飞行员无缝介入方法与系统是十分有意义。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了飞行事故模拟环境下飞行员无缝介入方法与系统，为飞行事故分析过程提供更真实有效的模拟环境，实现了事故环境再现和自主操纵模拟的光滑过渡，解决了如何提高飞行事故模拟的临场感的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

飞行事故模拟环境下飞行员无缝介入方法：

（1）通过建立较准确的力反馈操纵负荷系统的数学模型，来预测系统中标称的操纵系统力和力矩，这是由操纵回放系统中的驱动环节如电机和滚珠丝杠等产生的。而当机组介入时，实际上操纵系统所承受的力和力矩就与标称值不同，会有明显的差异。在力反馈操纵负荷系统的建模过程中，不同于以往的建模方式，采用面向控制的建模方法，对操纵负荷系统使用的交流伺服电机、驱动器、机械部件及其它传动部件都进行了仔细分析，建立完整的参数化物理模型，并通过实验手段辨识出系统中主要参数；

（2）无缝实时介入通过在操纵系统的某些传递环节中加入力传感器可以检测出外部的介入力，但在实际使用过程中会有偶然的外部干扰或摩擦力等影响导致误触发，这就需要采用观测器的方法将机组介入操作稳定地检测出来，当介入力达到一定数值并持续一段时间才能够进行触发。由于飞机操纵系统为一个非线性系统，不能采用常规的线性干扰观测器，我们尝试引入了模糊干扰观测器，采用零阶t-s模糊系统来检测干扰项，模糊基函数选择了一组钟型函数。这实际上是利用模糊系统的万能逼近器的功能来实现非线性系统外扰的观测，实现介入力的稳定检测；

（3）在检测到介入力后，系统从fdr数据驱动将切换到飞行动力学模型的仿真数据驱动，采用改进的newton-raphson算法对飞行动力学模型进行实时配平，首先读入描述飞机典型升力特性曲线、极曲线、发动机油门杆位移到推力输出曲线的数据，然后根据约束条件优化求取各状态参数，保证在实时仿真中高效地进行飞机六自由度状态配平；

（4）由于建立的飞行动力学模型输出的飞行仿真数据和fdr数据之间仍然有一定的差异，如果直接进行硬切换，各飞行状态参数在切换点会有个明显的异动，为了解决这个问题，达到无缝介入的效果，设计了软切换的机制，保证切换过程中的平滑过渡。

飞行事故模拟环境下飞行员无缝介入系统，包括：

电动操纵负荷系统，传递外部介入力至座舱，

fdo介入力观测器，在检测到外部介入力后，将系统从fdr数据驱动模式切换至飞行动力学模型仿真数据驱动模式，

idc控制器，根据fdr数据以及电动操纵负荷系统动力学模型的仿真数据控制电动操纵负荷系统中的驱动器，及，

力反馈控制器，根据操纵力曲线、电动操纵负荷系统动力学模型的仿真数据、飞行动力学模型的仿真数据控制电动操纵负荷系统中的驱动器。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：采用飞行事故模拟环境下飞行员无缝介入方法和系统，可以为飞行事故分析过程提供更真实有效的模拟环境，为事故调查分析部门快速定位事故原因、恢复事故现场提供帮助。

附图说明

图1飞行事故模拟环境下飞行员无缝介入的系统架构。

图2飞行员外部介入状态的检测模块图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

在进行飞行事故环境下飞行员无缝介入方法与系统的实施过程中，主要有几个主要的步骤，包括操纵力反馈系统动力学模型的建模、设计基于模糊干扰观测器的操纵输入观测器进行飞行员介入观测、飞行动力学模型的配平、模拟系统由fdr数据回放状态到机组操纵状态的切换。整个流程如图1所示。具体的实施步骤如下：

（1）建立操纵力反馈系统动力学模型

电动操纵负荷系统包含多个通道，包括俯仰（操纵杆前后）、滚转（操纵盘转动）和脚舵差动以及刹车。单独考虑滚转这个通道，设计上考虑了将操纵盘的转动和伺服电机的转动同步起来，传动比为一比一。将控制系统和机械系统每个环节进行单独的数学模型建模，包括交流永磁伺服电机、电机驱动器、力传感器、机械系统传递函数。由于伺服电机和机械系统的具体参数无法直接测量，所以采用基于非线性卡尔曼滤波的参数辨识方法来获得模型参数。

（2）基于模糊干扰观测器的飞行员介入观测

通过在操纵系统的传递环节中加入力传感器可以检测出外部的介入力，但在实际使用过程中会有偶然的外部干扰或摩擦力等影响导致误触发，这就需要采用观测器的方法将机组介入操作稳定地检测出来，当介入力达到一定数值并持续一段时间才能够进行触发。由于飞机操纵系统为一个非线性系统，不能采用常规的线性干扰观测器。这里引入了模糊干扰观测器采用零阶t-s模糊系统来检测干扰项，模糊基函数选择了一组钟型函数，利用模糊系统的万能逼近器的功能来实现非线性系统外扰的观测。

飞行事故模拟环境下的操纵负荷系统有两种工作状态，在fdr回放阶段，由于没有人力操纵，其实整个三轴主操纵是一个随动系统，仅仅需要控制位置误差；一旦有人力介入，利用fdo逼近外扰的功能，就可以检测到这个介入力，并切换到力反馈模式，为操作人员提供标准的飞行状态下的力曲线。如果使用常用的pid控制器来对操纵负荷系统进行控制的话，因为没有考虑系统非线性模型的影响，比如机械系统的摩擦力影响会造成虚假的外部扰动现象，可能会导致介入判断错误。所以通过建立的准确的系统非线性模型对控制器的非线性动力学特性进行补偿，pid控制器仅仅用来补偿线性误差，这样外部的介入力就可以通过fdo来进行准确的检测了，如图2所示。

（3）飞行动力学模型的配平

根据定常飞行时，飞行状态参数的导数为零，从而将描述飞机运动的非线性微分方程组简化为代数方程组，通过newton-raphson法寻优迭代算法求解代数方程组，并通过飞机性能计算的方法合理确定平衡约束条件和寻优范围，从而得到定常飞行的状态参数。

（4）由fdr数据回放状态到机组操纵状态的切换

由fdr数据回放状态到机组操纵状态的软切换，通过设定一个20秒的切换过渡时间段，在这个期间fdr数据和飞行仿真数据加权平均后送入座舱各仿真单元实现，fdr数据占有的权重随时间逐步减小，到切换过渡时间段结束完全转为飞行动力学仿真模型提供数据。