一种飞行力感模拟系统以及模拟算法

摘要

本发明提供了一种飞行力感模拟系统以及模拟算法，该飞行力感系统将来自外回路的模型力和施加的扰动力作为基本输入参数，以两者的合力作用于系统，以实现力闭环控制，对于施加的扰动力设置了补偿，以修正控制输出，同时将转动惯量以加速度的形式体现在控制策略中，从而达到更好的控制效果；并且，发送给外回路的位置信息是理论值，而非实际测量值，从而避免由于实际编码器测量值发散造成的模型力计算不精确及位置误差；这样，该基于力闭环控制的飞行力感模拟系统，提高了飞行模拟中的控制准确性和精度，从而更好地实现了力感跟踪。

说明书

技术领域

本发明涉及模拟算法和校准技术领域，具体涉及一种飞行力感模拟系统和模拟方法。

背景技术

自1903年第一架飞机诞生后，为减少未经训练人员驾驶飞机的风险性和掌握飞机的操纵技术和飞行感觉，模拟装置即应运而生。且随着科学技术的进步，模拟装置取得了一系列的进步。对于其中的飞行模拟机而言，主要是以准确的动感模拟、逼真的视觉模拟、听觉模拟、力感模拟以及真实的飞机故障模拟为目标。根据标准，飞行模拟机划分为A、B、C、D四个等级，其中D级最高，能够达到全任务飞行模拟、零时间飞行训练的水平。对于D级飞行模拟机来说，六自由度运动模拟系统和操纵负荷系统是其关键技术。操纵负荷系统是飞行模拟机中负责向飞行员提供逼真操纵力感的子系统，是飞行模拟机中不可或缺的核心部分。对当前操纵力感的逼真模拟可以使飞行员准确地感受到当前飞行状况，从而有效提高飞行员的训练效率；而错误失真的操纵力感会使飞行员形成错误的操作习惯，从而使飞行训练效率降低甚至失效。因此使用高性能的操纵负荷系统模拟操纵力感是飞行模拟机具有较高训练效率的基本前提。

在飞行模拟器操纵负荷控制系统中，常采用的控制方式是位置闭环控制、速度闭环控制和力闭环控制三种。通过已有的研究成果发现，如图1～图3，从跟踪控制精度和稳态误差方面看，力闭环控制优于速度闭环控制优于位置闭环控制，因此，提供一种基于力闭环控制的飞行力感模拟系统，以期提高飞行模拟中的控制准确性和精度，从而更好地实现力感跟踪，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于力闭环控制的飞行力感模拟系统，以期提高飞行模拟中的控制准确性和精度，从而更好地实现力感跟踪。本发明的另一目的是提供一种基于该飞行力感模拟系统的模拟方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种飞行力感模拟系统，包括：

力获取单元，用于获取来自外回路的模拟力以及外界施加的扰动力，并将该模拟力和扰动力的合力输出；

分析计算单元，用于接收所述力获取单元输出的合力，基于该合力计算转动惯量，并将计算得到的转动惯量以加速度的形式输出；

驱动控制单元，用于接收所述分析计算单元输出的加速度，基于该加速度计算模拟位置，并将该计算得到的模拟位置输出；

电机执行单元，用于根据所述驱动控制单元输出的模拟位置移动预设位移，并将移动后的实际位置输出；

位置输出单元，用于接收电机移动后的实际位置和所述分析计算单元计算得到的转动惯量，根据实际位置和转动惯量计算得到计算位置和位置误差反馈值，并将该计算位置输出至外回路、将位置误差反馈值输出至所述驱动控制单元。

进一步地，所述力获取单元还用于向所述分析计算单元输出力补偿，所述分析计算单元输出的模拟位置根据所述加速度和所述力补偿计算得出。

进一步地，所述力获取单元还用于向所述分析计算单元输出阻尼，所述分析计算单元输出的模拟位置根据所述阻尼、所述加速度和所述力补偿计算得到。

本发明还提供一种飞行力感模拟方法，基于如上所述的飞行力感模拟系统，包括以下步骤：

S1：获取来自外回路的模拟力以及外界施加的扰动力，并将该模拟力和扰动力的合力输出；

S2：接收所述力获取单元输出的合力，基于该合力计算转动惯量，并将计算得到的转动惯量以加速度的形式输出；

S3：接收所述分析计算单元输出的加速度，基于该加速度计算模拟位置，并将该计算得到的模拟位置输出；

S4：所述驱动控制单元输出的模拟位置移动预设位移，并将移动后的实际位置输出；

S5：接收电机移动后的实际位置和所述分析计算单元计算得到的转动惯量，根据实际位置和转动惯量计算得到计算位置和位置误差反馈值，并将该计算位置输出至外回路、将位置误差反馈值输出至所述驱动控制单元。

进一步地，在步骤S1中还包括向所述分析计算单元输出力补偿，步骤S2中，所述分析计算单元输出的模拟位置根据所述加速度和所述力补偿计算得出。

进一步地，在步骤S1中还包括向所述分析计算单元输出阻尼，步骤S2中，所述分析计算单元输出的模拟位置根据所述阻尼、所述加速度和所述力补偿计算得到。

本发明所提供的飞行力感系统将来自外回路的模型力和施加的扰动力作为基本输入参数，以两者的合力作用于系统，以实现力闭环控制，对于施加的扰动力设置了补偿，以修正控制输出，同时将转动惯量以加速度的形式体现在控制策略中，从而达到更好的控制效果；并且，发送给外回路的位置信息是理论值，而非实际测量值，从而避免由于实际编码器测量值发散造成的模型力计算不精确及位置误差；这样，该基于力闭环控制的飞行力感模拟系统，提高了飞行模拟中的控制准确性和精度，从而更好地实现了力感跟踪。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1-图3位不同类型控制方式下的误差对比；

其中，L1为理论输出曲线，L2为实际输出曲线；

图4为本发明所提供的飞行力感模拟系统一种具体实施方式的结构框图；

图5为控制模型示意图；

图6为图4所示飞行力感模拟系统的工作流程图；

图7为本发明所提供的飞行力感模拟方法一种具体实施方式的流程图；

图8为Simulink模型图；

图9-图12为模拟系统的准确性验证曲线。

附图标记说明：

101-力获取单元

102-分析计算单元

103-驱动控制单元

104-电机执行单元

105-位置输出单元

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图4，图4为本发明所提供的飞行力感模拟系统一种具体实施方式的结构框图。

在一种具体实施方式中，本发明提供的飞行力感模拟系统包括力获取单元101、分析计算单元102、驱动控制单元103、电机执行单元104和位置输出单元105；其中，力获取单元101用于获取来自外回路的模拟力以及外界施加的扰动力，并将该模拟力和扰动力的合力输出；分析计算单元102用于接收所述力获取单元101输出的合力，基于该合力计算转动惯量，并将计算得到的转动惯量以加速度的形式输出；驱动控制单元103用于接收所述分析计算单元102输出的加速度，基于该加速度计算模拟位置，并将该计算得到的模拟位置输出；电机执行单元104用于根据所述驱动控制单元103输出的模拟位置移动预设位移，并将移动后的实际位置输出；位置输出单元105用于接收电机移动后的实际位置和所述分析计算单元102计算得到的转动惯量，根据实际位置和转动惯量计算得到计算位置和位置误差反馈值，并将该计算位置输出至外回路、将位置误差反馈值输出至所述驱动控制单元103。

为了进一步提高模拟准确性，需要提供力补偿和阻尼，具体地，所述力获取单元101还用于向所述分析计算单元102输出力补偿和阻尼，所述分析计算单元102输出的模拟位置根据所述阻尼、所述加速度和所述力补偿计算得到，可选地，也可以仅设置力补偿功能或阻尼补偿功能。

应当理解的是，从功能逻辑上，如图5所示，将操纵负荷系统的控制模型分为内外两个回路，其中，外回路为模型力加载回路，根据输入的模型力，按照一定的控制逻辑，使驱动电机输出相应的扭矩，从而使操作人员通过操纵元件获得逼真的力感，而内回路是控制策略的核心算法，是系统性能的主要决定因素，本发明所涉及的模拟系统即以该内回路为核心，主要针对操纵负荷系统内回路控制算法进行说明，以实现力闭环控制。

本发明所提供的飞行力感系统将来自外回路的模型力和施加的扰动力作为基本输入参数，以两者的合力作用于系统，以实现力闭环控制，对于施加的扰动力设置了补偿，以修正控制输出，同时将转动惯量以加速度的形式体现在控制策略中，从而达到更好的控制效果；并且，发送给外回路的位置信息是理论值，而非实际测量值，从而避免由于实际编码器测量值发散造成的模型力计算不精确及位置误差；这样，该基于力闭环控制的飞行力感模拟系统，提高了飞行模拟中的控制准确性和精度，从而更好地实现了力感跟踪。

具体地，如图6所示，该力感模拟系统即内回路控制算法将力作为基本输入，包含施加的扰动力和来自外回路的模型力，其通过加速度体现了惯性力对系统的影响，并通过位置反馈消除静态误差，主要是考虑到编码器反馈中位置反馈精度最高，因而通过位置反馈消除静态误差最精准；另外，其向外回路反馈的位置信息是计算出的理论位置，而非实际编码器测量的值，从而避免了由于实际编码器测量值发散造成的模型力计算不准确及位置误差。

上述分析计算单元102和驱动控制单元103可以为集成式控制器，该控制器属于PID类型，比例通道是主要控制通道，微分通道产生加速度前馈以增加频率响应，积分通道为消除静态误差。分析计算单元102以输出的速度信号作为驱动控制单元103的驱动信号，采用速度模式对电机轴的位置进行控制，使得整个系统的模型是一个力-位移阻抗模型。在给电机轴施加一定的外力时，通过模型算法控制电机轴移动一定的位移，间接实现了对力矩的控制，以达到对力感的模拟。

除了上述模拟系统，本发明还提供一种基于该模拟系统的飞行力感模拟方法，如图7所示，该方法包括以下步骤：

S1：获取来自外回路的模拟力以及外界施加的扰动力，并将该模拟力和扰动力的合力输出；

S2：接收所述力获取单元101输出的合力，基于该合力计算转动惯量，并将计算得到的转动惯量以加速度的形式输出；

S3：接收所述分析计算单元102输出的加速度，基于该加速度计算模拟位置，并将该计算得到的模拟位置输出；

S4：所述驱动控制单元103输出的模拟位置移动预设位移，并将移动后的实际位置输出；

S5：接收电机移动后的实际位置和所述分析计算单元102计算得到的转动惯量，根据实际位置和转动惯量计算得到计算位置和位置误差反馈值，并将该计算位置输出至外回路、将位置误差反馈值输出至所述驱动控制单元103。

进一步地，在步骤S1中还包括向所述分析计算单元102输出力补偿，步骤S2中，所述分析计算单元102输出的模拟位置根据所述加速度和所述力补偿计算得出。

进一步地，在步骤S1中还包括向所述分析计算单元102输出阻尼，步骤S2中，所述分析计算单元102输出的模拟位置根据所述阻尼、所述加速度和所述力补偿计算得到。

本发明所提供的飞行力感方法将来自外回路的模型力和施加的扰动力作为基本输入参数，以两者的合力作用于系统，以实现力闭环控制，对于施加的扰动力设置了补偿，以修正控制输出，同时将转动惯量以加速度的形式体现在控制策略中，从而达到更好的控制效果；并且，发送给外回路的位置信息是理论值，而非实际测量值，从而避免由于实际编码器测量值发散造成的模型力计算不精确及位置误差；这样，该基于力闭环控制的飞行力感模拟方法，提高了飞行模拟中的控制准确性和精度，从而更好地实现了力感跟踪。

为验证本发明所提供的模拟系统和模拟方法的准确性，以下通过建模进行验证。考虑到外回路产生的模型力一般情况下既包含静态力，也包含动态力，而弹簧力属于静态力范畴，阻尼力属于动态力范畴，因而选择带有阻尼的弹簧振动作为参考模型，以产生参考的位置曲线，从而和内回路控制算法产生的实际位置曲线进行对比，以验证内回路控制算法的有效性。具体测试过程如下：

1)选择带阻尼的弹簧作为模型力，以满足静态力和动态力要求，并对此模型力进行数学建模；

该数学模型中阻尼弹簧振子的振动方程：

其中，m是弹簧质量，是系统固有谐振频率，k是弹簧系数。

2)利用Simulink搭建相应的仿真模块，以通过获得的位置曲线说明内回路控制算法的有效性，Simulink模块(Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。)如8所示。

根据阻尼振子方程中阻尼系数和系统固有谐振频率的关系，可将振动方程分为以下几种情况，并对这些情况分别进行测试验证。

1)当模型的阻尼系数为0时，此时弹簧振子的振动方程重写为在参考模型中，弹簧理论上是一直在等幅振动，设置弹簧振子的起始位置是300，参考和实际位置曲线对比如图9所示，虚线是实际位置曲线，实线是参考位置曲线。

2)当阻尼系数不为0时，弹簧可做自由响应测试。根据β|ω₀的大小关系，可将测试分为欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种响应情况，并分别比较对应情况下参考和实际的位置曲线。

当β＜ω₀时，属于欠阻尼情况，其参考和实际位置曲线如图10所示，虚线是实际位置曲线，实线是参考位置曲线。

当属于临界阻尼情况，其参考和实际位置曲线如图11所示，虚线是实际位置曲线，实线是参考位置曲线。

当β＞ω₀时，属于过阻尼情况，其参考和实际位置曲线如图12所示，黑色虚线是实际位置曲线，红色实线是参考位置曲线。

由测试结果可得，通过适当地调节内回路控制器增益的大小，使得内回路控制算法的位置曲线在一定误差范围内可以跟踪上参考模型的位置曲线，从而表明内回路控制算法的有效性，为后续的研究奠定了理论基础。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。