动态飞行模拟器实时运动规划算法
关立文, 刘慧, 付萌    
清华大学 机械工程系, 北京 100084
摘要:动态飞行模拟器是一种以离心机作为运动平台的持续过载模拟设备, 其运动规划直接影响过载模拟精度。该文主要针对动态飞行模拟器实时运动规划问题进行研究, 建立了过载模拟模型, 分析了卸载段动态飞行模拟器运动参数无法计算的原因, 在此基础上提出了基于2维插值法的实时运动规划算法, 解决了动态飞行模拟器实时运动规划问题。为了验证算法的准确性, 分别针对纯z向梯形过载曲线和3轴过载曲线进行模拟仿真, 分析算法对过载模拟误差的影响。仿真结果表明: 模拟过载能较好地跟踪理论过载, 算法具有较好的准确性和实用性。
关键词动态飞行模拟器    运动规划    过载模拟    2维插值    
Real-time motion planning algorithm for dynamic flight simulators
GUAN Liwen, LIU Hui, FU Meng    
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: Dynamic flight simulators (DFS) use a centrifuge to simulate sustained G-loads. The motion planning for the DFS directly affects the accuracy of the G-load simulations. This paper describes a real-time motion planning algorithm for a flight simulator. The G-load simulation model is given but is difficult to solve when the G-loads are negative. A real-time motion planning algorithm with two-dimensional interpolation is used to generate both a trapezoidal G-load curve and three-axis G-load commands. The simulation results show that the simulated G-loads precisely track the commands. The algorithm is accurate and practical.
dynamic flight simulator    motion planning    G-load simulation    two-dimensional interpolation    

高机动性是现代战斗机的一个重要特征。据载,第三代和第四代战斗机的使用过载达到9g左右,过载变化率高,且存在较长的持续过载时间[1, 2]。与飞行器训练相比,地面模拟器训练具有高效、经济、安全、环保等优点。因此,为了提高飞行员的抗过载能力,保障飞行安全,各国空军将动态飞行模拟器(dynamic flight simulator,DFS)应用到飞行员训练和飞行控制系统的研制测试中。目前,世界上的DFS主要集中在北美和欧洲地区,中国还没有相似的训练设备[3]。国内研究主要集中在航空加速度生理学、飞行员抗过载能力训练等方面[4, 5],对于动态飞行模拟的研究才刚起步[6, 7, 8, 9, 10]

DFS利用大臂旋转产生的加速度模拟真实飞行中的过载,通过控制中框和吊篮的转角来调整过载作用方向。因此,DFS大臂、中框和吊篮的运动状态直接影响过载模拟精度。针对动态飞行模拟中卸载段出现的运动参数无法直接计算问题,国内外公开文献上研究成果相对较少。Vidakovic等[11]提出了利用Jacobi椭圆函数计算卸载段大臂运动参数的方法,该方法计算过程复杂,最大绝对误差为0.49g。Tsai等[12]提出了一种逆向计算卸载段大臂运动参数的方法,该方法计算简单,过载最大绝对误差小,但是仅适用于预先给定过载曲线模式,无法应用于实时动态飞行模拟中。

本文针对DFS实时运动规划问题进行研究,建立DFS过载模拟数学模型,分析了卸载段大臂运动参数无法计算的原因,提出基于2维插值法的实时运动规划算法,最后将该算法应用于纯z向梯形过载曲线和3轴过载曲线模拟中,仿真结果验证了算法的准确性和实用性。

1 DFS介绍

DFS的主要结构包括主电机、减速器、底座、主轴轴系、大臂部件、中框部件和吊篮部件等,如图1所示。DFS有3个自由度,分别是大臂部件绕主轴的旋转运动、中框部件绕滚转轴的滚转运动和吊篮部件绕俯仰轴的俯仰运动。转动正方向如图1所示。其中: 大臂的旋转运动确定过载的大小,中框的滚转运动和吊篮的俯仰运动调整过载作用于飞行员的方向。3种运动的相互配合和协同运转使得飞行员感受到相应操纵下的过载。

图 1 DFS 3维结构图
2 过载模拟模型

飞行员过载G的3个分量为Gx