通用航空飞行模拟运动控制系统研究

摘要

通用航空主要指代的是小型民用飞行器，它是我国民用航空的重要组成部分之一。随着我国低空空域的逐步开放，通用航空也迎来了更大的机遇。当前商用飞机及军用飞机通常采用飞行模拟器对飞行学员进行地面训练，飞行模拟器可以模拟飞行器在各种飞行条件下实时的飞行环境与飞行状态，是一种高效率的飞行训练方法。但商用和军用飞行模拟器功能复杂，价格昂贵，不适合通用航空训练和使用，因此研发一套高效率低成本的通用航空飞行员训练系统是非常有必要的。本文在对不同飞行模拟器功能和原理分析以及研究的基础上，设计了基于STM32系列微处理器的通用航空飞行模拟器飞机飞行姿态数据采集系统。使用Altium Designer完成了硬件电路原理图及PCB板设计，使用Keil5对软件及硬件电路进行了综合测试，为通用航空模拟器的构建提供数据支撑。采用六自由度Stewart平台对通用航空模拟器进行运动学分析，应用空间机构学原理，研究了六自由度运动平台的位移，加速度和角速度之间的关系，完成对平台的运动学分析并确定了平台位置反解的解算关系;建立了洗出算法模型和平台的数学模型，针对经典洗出滤波算法中的高通滤波器在飞行模拟运动平台复杂外界运行环境中，加速度信号频率经常会有过高的现象发生的问题，对经典的洗出算法进行了改进，加入频率限制环节。考虑到飞行模拟器受到自身运动范围的限制，在算法的末端加入了平台位移限幅处理。最后通过Simulink仿真对改进前和改进后洗出算法，通过PID控制器的调节作用进行验证，仿真结果显示改进后的洗出算法在平台可运动范围、杆件误差、平台运动稳定性等方面均优于原洗出算法，能够很好的控制六自由度Stewart平台。本课题对研制和开发低成本通用航空飞行模拟训练系统具有一定参考价值。