飞行模拟器动感模拟系统逼真度研究

摘要

飞行模拟器是一种能够在地面上逼真复现飞机空中飞行的半物理仿真设备,不仅在航空领域飞机特性研究和新机研制中起着重要的作用,而且能够在飞行员培训的过程中产生巨大的经济效益。与国外相比,我国飞行模拟器技术水平尚显落后,特别是模拟器中动感模拟系统的逼真度不高,其原因之一在于难以有效的对动感模拟系统的逼真度进行客观评价。针对目前动感模拟系统逼真度客观评价方法适用性不强的缺点,本文以飞行员控制行为输出信号的功率谱作为评价指标,实现对动感模拟系统逼真度的客观评价,并以评价结果为衡量标准,对协调洗出算法参数进行设计,从而达到提高动感模拟系统逼真度的目的。
　　在分析动感模拟系统逼真度客观评价方法的基础上,从逼真度的定义着手,提出一种以飞行员控制行为输出信号功率谱作为评价指标的逼真度客观评价方法。然后根据飞行仿真任务的特点建立飞机动力学模型,同时建立完整的六自由度运动平台动力学模型。在此基础上,建立了飞行员-飞机和飞行员-飞行模拟器两个回路的仿真模型,并通过仿真试验验证了利用本文提出的逼真度客观评价指标对动感模拟系统逼真度进行评价的准确性和适用性。
　　结合飞行员的外在行为特性和生理结构特征,对飞行员的控制行为进行建模。在综合分析飞行员对信息的感知机理和处理特点的基础上,首先根据飞行员外在行为的超前、滞后和延迟等特性,采用控制原理建立了飞行员视觉系统数学模型;然后根据前庭器官生理结构特征与质量-弹簧-阻尼器系统相似的特点,建立了飞行员前庭系统数学模型,同时利用神经肌肉的驱动特性建立了飞行员神经肌肉系统数学模型;最后结合感知阈值对反映飞行员控制行为的上述数学模型进行集成。试验结果表明了该模型能正确的反映出飞行员在实际飞行中的控制行为特性。
　　为使参数的辨识结果能够准确的反映出飞行员的控制行为特征,利用飞行员控制行为与飞机动力学特性相匹配这一重要特点对飞行员控制行为模型参数进行辨识。首先,对辨识数据进行野值识别、野值补正和平滑等预处理,以消除数据中的各种噪声;然后,针对参数辨识求解时可能陷入局部收敛而导致辨识结果不准确等弊端,提出一种基于混沌搜索的粒子群算法实现飞行员控制行为模型参数的求解;最后,以飞机爬升飞行工况为例验证了参数辨识结果的准确性。
　　对协调洗出算法参数进行设计。针对当前洗出算法的参数普遍根据经验求得导致动感模拟系统逼真度不高的缺点,在详细研究协调洗出算法结构的基础上,提出一种利用Sinacori原理求取算法参数的初值,以动感模拟系统逼真度客观评价结果作为衡量标准的协调洗出算法参数设计方法,仿真结果表明了该方法能有效的提高动感模拟系统的逼真度。
　　利用飞行模拟器关键技术研究与试验平台和六自由度运动系统对论文的研究成果进行试验验证。通过飞机起飞、着陆和巡航三种飞行工况,验证了动感模拟系统逼真度客观评价方法的有效性、飞行员控制行为建模及其参数辨识的准确性以及协调洗出算法参数设计结果的实用性。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 飞行模拟器动感模拟系统概述

1.3 动感模拟系统逼真度研究现状

1.4 动感模拟系统逼真度研究目前存在的主要问题

1.5 论文的主要研究内容

第2章 基于飞行员控制行为的动感模拟系统逼真度客观评价研究

2.1 引言

2.2 动感模拟系统逼真度客观评价模型建立

2.3 动感模拟系统逼真度客观评价

2.4 评价指标仿真分析

2.5 基于逼真度客观评价的动感模拟系统设计过程

2.6 本章小结

第3章 飞行员控制行为建模及其参数辨识

3.1 引言

3.2 飞行员控制行为建模

3.3 基于粒子群算法的飞行员控制行为模型参数辨识

3.4 飞行员控制行为模型参数辨识结果分析

3.5 本章小结

第4章 基于逼真度客观评价的洗出算法参数研究

4.1引言

4.2 协调洗出算法结构分析

4.3 协调洗出算法参数设计

4.4 参数设计结果仿真验证

4.5 本章小结

第5章 逼真度研究结果及试验验证

5.1 试验目的

5.2 动感模拟系统试验平台

5.3 逼真度评价指标验证

5.4 飞行员控制行为模型及协调洗出算法参数设计方法验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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