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為了保證 Stewart平臺能夠在其工作空間內為飛行員提供逼真動感 ,對經典洗出算法的參數選擇方法進行了研究。通過對二階、三階線性高通濾波器和二階線性低通濾波器階躍響應的分析 ,得出濾波器參數與階躍響應之間的解析關系。并以此提出一種基于濾波器時域響應的濾波器參數選擇方法 ,即對濾波器的各個參數在某一范圍內進行定步長搜索 ,從而選擇產生最優時域響應的濾波器參數。利用飛機起飛期間的飛行仿真數據和 Stewart平臺對其進行了實驗驗證 ,結果表明利用該方法選擇的參數能充分利用 Stewart平臺的工作空間為飛行員提供逼真動感。
全任務 D 級飛行模擬器是一種典型的人在回路仿真設備 ,被廣泛應用于飛行員訓練和飛機研制領域。特別是在大型民用飛機的研制過程中 ,全任務 D 級飛行模擬器也是關鍵的仿真實驗設備 ,在飛機操縱系統和人機接口的設計過程中起著重要作用 [ 1 ] 。
為了利用模擬器運動系統有限的運動空間復現出飛機在真實飛行時的運動感覺 ,在飛行仿真計算出來的飛機運動與運動系統運動指令之間需要設計洗出算法 ,來保證飛行模擬器在完成一次突發運動后 ,能夠緩慢回到中立位置 ,以便有足夠的空間進行下一次運動 ,并且在返回過程中必須使飛行員感覺不到運動。這就要求運動平臺以低于人的感覺門限 ( 0. 02g)的平緩運動完成運動的洗出。從而實現了利用有限運動空間實現無限空間的運動感覺的目的 [ 2 ] 。所以洗出算法性能的好壞直接影響動感模擬的逼真度。
洗出算法應用較為廣泛的主要有三種 : 經典洗出算法 [ 3, 4 ] 、最優控制洗出算法 [ 5 ]和協調自適應洗出算法 [ 6 ] 。經典濾波算法以其形式簡潔、易于調整、執行速度快、反饋快速等優點至今仍被廣泛應用在動感模擬領域中。該算法具有協調洗出功能 ,能夠將線運動和角運動洗出為動感協調信號 ,提高了模擬器對低頻動感信號的復現能力 [ 7 ] 。
經典洗出算法的參數直接影響算法的性能 ,但目前對經典洗出算法參數的確定還主要依靠設計者的經驗和通過飛行員的感受進行現場調試。由于算法參數比較多 ,所以調試復雜 ,并且很難發揮出 Stewart平臺最大的動感復現能力。為解決此問題本文提出一種新的參數選擇方法 :利用洗出算法中各種線性濾波器的時域響應解析表達式和遍歷搜索的方法 ,根據運動平臺對運動位移、運動速度和運動加速度的限制條件計算出洗出算法中的參數。使得洗出算法能夠實現在運動平臺有限的運動空間內為飛行員提供逼真的運動感覺。
洗出算法的結構
洗出算法一般將運動分為四種模式 :縱向模式 (包括縱向和俯仰兩個自由度 ) ,側向模式 (包括橫向和滾轉兩個自由度 ) ,偏航模式以及上下模式。前兩種模式能夠使飛行模擬器傾斜一定的俯仰角和滾轉角 ,利用重力加速度在模擬器體坐標系中的分量為飛行員提供持續的加速度感覺 [ 8 ] 。
經典洗出算法的輸入是飛機體坐標系下飛行員頭部前庭處的比力和飛機三個方向的角速度。這是因為人體是通過前庭器官感覺到的比力和角速度來判斷運動的。輸出信號為飛行模擬器的位移和姿態角。
本文通過對三階線性濾波器時域響應過程的研究 ,得到三階線性濾波器時域響應的解析表達式 ,并根據時域響應提出了經典洗出濾波器參數的計算方法。利用這種方法計算出的參數使洗出濾波器的輸出平衡了復現加速度和運動空間的矛盾 ,在有限的運動空間之內 ,盡可能大的實現所要復現的加速度 ,得到了令人滿意的效果。該參數選擇方法可以根據不同機型的運動極限值選則不同機型的參數 ,同樣可以根據不同的運動范圍計算出適合不同運動平臺的洗出濾波器參數。
但洗出算法的缺點仍然存在 ,本文所提出的方法是利用最惡劣的加速度信號作為輸入的 ,這樣保證了在任何條件下不超出運動范圍。但是對于其他的輸入信號就顯得有點保守。這也是在以后的工作中要解決的問題。
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