飞行模拟器体感模拟的仿真研究

摘
要： 为了使飞行模拟器能够在其工作空间内为飞行员提供逼真动感 ， 介绍了六自由度运动 平台的经典洗出滤波算法及其在飞行器地面起飞阶段的实现 。 应用 Matlab 建立了滤波算法的模
型和体感评价模型，结合某飞机实际飞行数据进行了仿真实验， 实验结果表明该算法可以提高 整个运动平台的运动模拟性能。 关键词： 飞行模拟器； 体感模拟算法； 经典滤波 ； 六自由度
文章编号： 1009 － 2552 （ 2012 ） 05 － 0037 － 04
中图分类号： TP391． 9
文献标识码： A
飞行模拟器体感模拟的仿真研究
王
1， 2 勇 ，刘
晖
1， 2
（ 1． 南京航空航天大学民航学院，南京 210016 ； 2． 南京航空航天大学飞行模拟与先进培训工程技术研究中心，南京 210016 ）
2
可以得到模拟 系下的欧拉角与低通滤波欧拉角相加， 器总的倾斜角。考虑飞机运动极端的情况和模拟器 的结构， 采用在平动方向上使用三阶高通滤波器， 在 传递函数为： 转动方向上使用二阶高通滤波器就行， s s +ω 1． 2． 4 （ 3）
变换矩阵 L IS 和 T S 是坐标变换矩阵， 将大地坐标系转化 到驾驶员头部前庭中心的加速，
部前庭处的比力和飞机三个方向的角速度。这是因为 人体是通过前庭器官感觉到的比力和角速度来判断运 动的。输出信号为飞行模拟器的位移和姿态角。经典 洗出算法结构如图 1 所示。
图1
经典洗出算法结构
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1． 2
经典洗出滤波算法原理
经典洗出滤波算法包含高通加速度通道， 低通 加速度通道和高通角速度通道等部分 。 1． 2． 1 高通加速度通道 高通滤波器通道的主要功能是用来模拟飞机的 瞬时加速度感觉， 因为低频的加速度会导致飞行模 所以需要通过高通滤波器 拟器运动超出工作空间， 滤掉低 频 部 分 得 到 平 动 方 向 的 加 速 度 。 传 递 函 数为： s2 s 2 × s + ω s + 2 ξh ωh s + ωh 1． 2． 2 低通加速度通道
（ 1）
低通滤波器通道主要用来模拟飞机的持续的线 这是通过将运动平台倾斜， 利用重力加速 性加速度， 度的分量来模拟的， 其中要加入倾斜角速度限制单 ， 这也被称作倾斜坐 元 使角速度小于人的感觉阈值， 标系技术 （ tilt coordination ） 。 这种倾斜坐标系的技 术是利用重力矢量的分量来模拟平动方向的持续加 速度。在垂直方向由于不能使用这项技术， 所以所 有的洗出算法都不能模拟持续的垂直加速度 。 当 缓慢的倾斜平台会导致 z 轴方向模拟器平台线 然， 性加速度的减小， 不过在倾斜角比较小的时候这部 分影响可以忽略。传递函数为： ωd 2 s + 2 ξ d ω d s + ω2 d 1． 2． 3 高通角速度通道
]
（ 4）
1 TS = 0 0
sinαtanβ cosα sinαsecβ
cosαtanβ － sinα cosαsecβ
其中， α， β， γ 表示三个欧拉角 （ 滚转角、 俯仰角、 偏 航角。
2
系统仿真分析
经典洗出算法的优点是设计简单 ， 计算量小， 可 以对不合适的参数直接修改。 首先在 Matlab 里面 并在上面加入体感评 搭建了经典洗出算法的模型， 价模型。对实际飞机在跑道滑行阶段的加速度进行 了仿真和分析。 2． 1 Matlab 仿真图 经典洗出滤波算法在 Simulink 下的实现如图 2 所示。根据实验室现有的实际轻型模拟器的尺寸， 设计经典滤波算法的参数， 在表 1 中列出。
0
引言
飞行模拟器以它的经济性、 安全性等优异性能， ［1 ］ 日益成为驾驶员、 飞行员的理想培训工具 。 六自 由度运动平台以其结构刚度大、 承载能力强、 位置精 度高、 响应快的优势， 目前已经广泛用于大多数飞行 模拟器
［2 ］
围最广的， 效果最好的几种洗出滤波算法是 Parrish ［4 ］ Parrish 等［5］ 提出的 等 提出的经典洗出滤波算法， Sivan 等［6］ 提出的最优洗出算法。 自适应洗出算法， 由于其运用场合， 飞行模拟器条件不同， 具体情况还 需要具体分析。 本文综合考虑实验室现有的轻型飞行模拟器的结 构基础， 算法参数调整等方面， 采用了经典洗出滤波算 法， 以 Matlab 为工具， 模拟某飞机在起飞滑跑阶段的加 速度， 通过体感评价模型验证该方法的可行性。
［3 ］
1
经典洗出滤波算法
经典洗出算法由平移 （ 纵向、 横向、 垂向 ） 通道 和旋转（ 横滚、 俯仰、 偏航 ） 通道组成， 具体包括平移 高通通道、 平移低通通道和旋转高通通道。 由于力
收稿日期： 2011 － 12 － 01 基金项目： 国家自然科学基金委员会与中国民用航空总局联合资助 项目（ 61039002 ） 作者简介： 王勇（ 1987 － ） ， 男， 硕士研究生， 研究方向为机电控制。
图4
模拟器高通通道加速度
g 为重力加速度。 体的绝对线加速度， 人体的耳石模型如图 7 所示， 参数如表 2 所示。 — 39 —
从上面的仿真可以看出， 飞行员在洗出滤波后 的运动感觉和在实际飞机上的运动感受没有明显差 可以得到高逼真的动感。 异，
图7 表2 k 纵向 横向 垂直 0． 4 0． 4 0． 4 τa 5． 33 5． 33 5． 33
人体的耳石模型 耳石模型参数 τs 0． 66 0． 66 0． 66 τl 13． 2 13． 2 13． 2 d TH 0． 17 0． 17 0． 28
3
结束语
洗出算法的作用就是利用模拟器有限的运动空 间模拟飞机无限运动空间下的运动感觉 ， 而洗出算 法的优劣直接关系到能否为飞行员提供真实的运动 并引入了体感评 感觉。本文采用了经典洗出算法， 价模型来评判算法的优劣。 仿真实验结果表明， 运 为 用该算法可以提高飞行模拟器的动感模拟性能 ， Matlab 仿真等方 以后飞行模拟器中洗出算法设计， 面的研究提供了可以借鉴的理论和实践经验 ， 具有 一定的指导意义。 参 考 文 献：
2． 2
仿真实验
结合某飞机在起飞滑跑阶段实际的加速度 ， 纵 各个旋转角速度的 向加速度输入信号如图 3 所示， 输入为 0rad / s。仿真结果如下。
图5
俯仰角角度
图3
输入信号
图6
平台位移
输出信号有模拟器高通和低通通道加速度 ， 俯 仰角角度变化和位移分别为如图 4 － 6 所示。
由图 6 可知， 平台没有超出运动范围， 并且回到 ， 。 了中心点 洗出算法是可行的 2． 3 体感评价模型 耳内的前庭平衡器官对运动和位置的变化非常 敏感， 它由半规管和耳石组成， 其中耳石感觉线加速 度， 半规管能感受旋转运动的刺激。 耳石对线加速度的感觉是以比力的形式表示 f 为人体感受到的比力， a 为人 的， 即 f = a － g， 其中，
。
为了使驾驶员在飞行模拟器的有限运动空间体 验到真实飞行时的运动感觉， 在真实的飞机运动与 飞行模拟器的运动之间需要设计洗出滤波算法 ， 来 保证飞行模拟器在完成一次突发运动后 ， 能够缓慢 回到中立位置， 以便有足够的空间进行下一次运动 ， 并且在返回过程中必须使飞行员感觉不到运动 。这 就要求运动平台以低于人的感觉门限的平缓运动完 成运动的洗出。从而实现了利用有限运动空间实现 无限空间的运动感觉的目的
2
[
L IS =
cosαcosβ sinαcosβ － sinβ cosαsin βsinγ － sinαcosγ sinαsin βsinγ + cosαcosγ cosβsinγ cosαsin βcosγ + sinαsinγ sinαsin βcosγ － cosαsinγ cosβcosγ
Proprioceptive simulation study and simulation in flight simulator
2 2 WANG Yong1， ，LIU Hui1，
（ 1 ． School of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016 ，China； 2 ． Engineering Research Center for Flight Simulation and Advanced Training，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016 ， China）
。 所以洗出算法性
能的好坏直接影响动感模拟的逼真度 。 在过去研究中， 有许多不同的洗出算法， 使用范
— 37 —
的表示可以用加速度来衡量， 但因为重力的存在， 人 即惯性加速 体对加速度的感觉以比力的形式表现， 度与重力加速度矢量之差。 1． 1 经典洗出滤波算法结构 经典洗出算法的输入是飞机体坐标系下飞行员头
Abstract： To provide the fidelity motion cues for pilots in the flight simulator motion space，this paper presents the washout filter algorithm and the realization of the takeoff． The washout filter algorithm and evaluate model were built on Matlab platform，using the actual flight data the simulation result is getten， which indicates that the algorithm can improve overall motion simulation performance of the platform． Key words： flight simulator； proprioceptive simulation algorithm； classical filter； 6DOF
（ 2）
模拟器的俯仰、 横摇、 侧倾运动均采用此通道。 飞机的转动运动通过高通滤波器使模拟器平台只响 应高频的转动角速度。将模拟器坐标系在大地坐标 — 38 —
图2 表1 高通加速度 通道 ω ξ 3 1 经典滤波算法参数 低通加速度 通道 5 1 高通角速度 通道 1 － －
系统 Matlab 仿真图
人体半规管模型如图 8 所示， 参数如表 3 所示。
图8 表3 Ta 俯仰 横滚 偏航 30 30 30
人体半规管模型 半规管模型参数 TS 0． 1 0． 1 0． 1 TL 5． 3 6． 1 10． 2 δ TH 3． 6 3． 0 2． 6
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