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飞行模拟器传输延迟补偿与实现研究

作　者: 王春光
导　师: 李瑰贤
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 飞行模拟器传输延迟滑模控制一体化模型迭代最小二乘法测试与评估
分类号: V216.7
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

飞行模拟器是一种典型的人在回路仿真系统,作为飞行训练用,与用真实的飞机进行训练相比,具有减少实际飞行任务时间、节省燃料、不受场地和气候条件限制、提高训练效率等突出优点。目前我国在飞行模拟器的开发和研制方面远远落后于国外发达国家,特别是我国目前正在实施的大型干线飞机研制项目,需要与其相配套的飞行模拟器,因此针对飞行模拟器关键技术的研究更加迫切。飞行模拟器的传输延迟问题研究是提高飞行模拟器逼真度的关键技术之一,传输延迟的影响分析及其补偿方法研究可为我国研制和开发D级飞行模拟器奠定坚实的技术基础和积累丰富的研发经验。在查阅国内外大量相关文献基础上,本文首先综述了国内外飞行模拟器研究现状和发展趋势,总结了国内外飞行模拟器传输延迟测量和补偿方法的研究现状,以及我国在这些领域与国外发达国家的差距,同时对飞行员控制模型进行了简要的介绍;其次详细的分析了飞行模拟器的系统组成及各分系统功能,在此基础上,得出了飞行模拟器传输延迟产生的原因,为后续研究工作奠定了基础。在实际飞行训练中,由捕获控制转为追踪控制是飞行员常用的策略。追踪控制策略的目的是保持系统的状态在切换超平面上,为了达到这一要求,基于滑模控制理论和最优化控制理论,提出了一种使系统状态从初始就在切换超平面上的滑模最优化控制方法。针对目标函数中加权矩阵的选取,改进了H∞控制中加权矩阵选取的随机搜索算法,得到了最优化控制加权矩阵的计算方法。为了实现在最小时间内使系统状态到达捕获控制切换超平面,采用滑模控制理论建立了飞行员捕获控制模型。根据飞行训练要求选取主要的控制偏差作为从捕获控制到追踪控制切换的判据。实例验证表明所提出的飞行员变策略控制模型符合飞行员实际控制行为特征。为了能够在设计阶段研究飞行模拟器传输延迟对其操纵品质的影响,帮助模拟器设计者设计出能够提供真实飞行动感的飞行模拟器,提出了包含飞行员视觉和前庭系统非线性作用的飞行员—飞行模拟器一体化模型,该模型包括飞行员运动感知的滚转模型、线性模型以及飞行模拟器运动系统和视景系统模型。各个系统的传输延迟通过二阶Pade近似的形式加在相应的通道上。根据飞行模拟器视景通道和运动通道传输延迟的不同,详细的分析了不同传输延迟对运动基式和固定基式飞行模拟器的影响,发现运动基式飞行模拟器对延迟变化的敏感度大于固定基式飞行模拟器对延迟变化的敏感度,而且传输延迟与影响程度近似成线性关系,运动平台传输延迟的出现增加了视景通道传输延迟影响程度,并从理论上得出了目前传输延迟补偿主要是应对视景通道传输延迟进行补偿的结论。针对改进的McFarland补偿方法在补偿延迟方面的不足,主要为了提高延迟补偿能力和减小预测大偏差问题,提出了“自适应权重因子”的概念,并使用具有遗忘因子的迭代最小二乘法,提出了自适应实时加权递推最小二乘McFarland补偿方法和自适应迭代最小二乘McFarland补偿方法,并成功的解决了改进McFarland补偿方法迭带过程中协方差收敛矩阵存在的初始值奇异性问题。实例验证发现所提出的两种补偿方法对延迟变化的敏感度和偏差积累的数值均小于已有的改进的McFarland补偿方法,并且自适应迭代最小二乘McFarland补偿方法是三种补偿方法中最优的方法。测量飞行模拟器传输延迟是应用补偿方法前提,本文使用了包含测量投影仪传输延迟的飞行模拟器传输延迟测量实现方法,该方法使用具有高光敏特性的光电三级管测量电路并结合飞行控制系统计算机实现。使用该方法对自主研发的B737-800飞行模拟器进行了传输延迟测量,得到了其平均传输延迟和最大传输延迟大小。为了对传输延迟补偿方法进行实验验证,开发出了一套飞行模拟器自动测试与评估系统,从逼真度的角度对补偿方法进行了评价。该系统包括面向模拟器测试任务的测试项目文件、测试文件翻译器、测试执行程序、测试结果分析等全过程。与以往的飞行模拟器测试与评估系统不同,该系统包括了具体详尽的实现过程和实现方法。最后,将飞行模拟器传输延迟补偿方法和飞行模拟器自动测试与评估系统应用于B737-800飞行模拟器上,从测试结果可以看出该飞行模拟器的逼真度满足了飞行模拟器性能规范的要求,这不但说明了传输延迟补偿方法的正确,而且也说明了测试与评估系统的可行。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-30
  1.1 课题背景  14-15
    1.1.1 课题来源  14
    1.1.2 研究目的和意义  14-15
  1.2 飞行模拟器国内外研究现状  15-21
    1.2.1 国外飞行模拟器的研究现状  15-19
    1.2.2 国内飞行模拟器的研究现状  19-21
  1.3 飞行模拟器传输延迟国内外研究现状  21-28
    1.3.1 国外飞行模拟器传输延迟补偿方法的研究现状  21-23
    1.3.2 国内飞行模拟器传输延迟补偿方法的研究现状  23
    1.3.3 国内外飞行模拟器传输延迟测量方法的研究现状  23-26
    1.3.4 国内外飞行员控制方法研究现状  26-28
  1.4 主要研究内容  28-30
第2章飞行模拟器传输延迟影响因素分析  30-42
  2.1 引言  30
  2.2 飞行模拟器系统组成及各分系统功能  30-37
    2.2.1 飞行模拟器系统组成  30-32
    2.2.2 飞行模拟器各分系统功能  32-37
  2.3 飞行模拟器传输延迟产生原因  37-40
    2.3.1 采样延迟与主机计算时间  37-38
    2.3.2 分系统反应时间  38-40
  2.4 本章小结  40-42
第3章传输延迟对飞行模拟器操纵品质影响研究  42-67
  3.1 引言  42-43
  3.2 飞行员控制模型  43-47
    3.2.1 滑模最优化追踪控制方法  43-47
    3.2.2 滑模捕获控制方法  47
  3.3 控制策略切换方式及仿真验证  47-55
    3.3.1 单输入控制飞行任务  48-51
    3.3.2 多输入多输出飞行任务  51-55
  3.4 飞行模拟器运动感知模型  55-59
    3.4.1 参考系及其变换  55-56
    3.4.2 滚转运动感知模型  56-58
    3.4.3 线性运动感知模型  58-59
  3.5 飞行模拟器仿真特性  59-61
  3.6 传输延迟影响分析  61-65
    3.6.1 飞行员—飞行模拟器一体化模型  62-64
    3.6.2 传输延迟对操纵品质的影响  64-65
  3.7 本章小结  65-67
第4章飞行模拟器传输延迟测量与补偿方法研究  67-85
  4.1 引言  67
  4.2 传输延迟补偿的基本思想  67-69
  4.3 McFarland 补偿法及其改进的McFarland 补偿方法  69-72
  4.4 迭代最小二乘McFarland 补偿方法  72-77
    4.4.1 自适应迭代最小二乘McFarland 补偿方法  72-75
    4.4.2 自适应实时加权递推最小二乘McFarland 补偿方法  75-77
  4.5 补偿能力的评定  77
  4.6 传输延迟测量方法  77-79
  4.7 补偿方法实例验证与传输延迟测量  79-84
    4.7.1 传输延迟补偿方法验证  79-83
    4.7.2 传输延迟测量  83-84
  4.8 本章小结  84-85
第5章飞行模拟器自动测试与评估系统研究  85-116
  5.1 引言  85-86
  5.2 测试与评估系统的性能需求  86-87
    5.2.1 系统性能需求  86-87
    5.2.2 测试项目范围  87
  5.3 测试与评估系统的结构设计  87-109
    5.3.1 测试项目文件的指令和语法结构  88-93
    5.3.2 文件翻译  93-98
    5.3.3 测试执行程序  98-108
    5.3.4 测试调度与管理  108-109
  5.4 测试系统与延迟补偿方法验证  109-115
    5.4.1 横向动力学稳定性测试  110-112
    5.4.2 一个发动机失效的着陆过程  112-115
  5.5 本章小结  115-116
结论  116-118
参考文献  118-127
攻读博士学位期间发表的学术论文  127-129
致谢  129-130
个人简历  130

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