主动侧杆操纵的人机特性评价方法

及 时做 出修 正 。为 了 弥补 “ 觉 匮 乏 ” 感 的不 足 ， 国
外 提 出了主 动侧杆 技 术 。
图 １为被动 侧 杆 引 导 下 的人 机 闭 环 结 构 图 ， 主 动侧杆 的人机 系统结 构如 图 ２所示 。
俯仰角
＾ ｌ 不
主动 侧杆 将 飞 机 的 状 态 信 息 反 馈 到 人 感 系 统 ， 以操纵 杆力 的形 式 传 递 给 驾 驶 员 ， 为 对 操 纵 手 柄 作
第２ ６卷
第 ６期
飞
行
力
学
Ｖｏ ． ６ Ｎｏ ６ １２ ． Ｄｅ ｃ．２０ ０８
２０ ０ ８年 ｌ ２月
Ｆ Ｉ Ｌ ＧＨＴ Ｄ ＹＮＡＭＩ Ｓ Ｃ
主动侧杆操纵的人机特性评价方法
李玉风 ，王延 刚 ， 屈香 菊
（ 北京航空航天 大学 航 空科 学与工程学院 ， 北京 １０ ８ ） ０ ０ ３
此时， 杆力信号作为飞机的输入信号 ， 飞机的输 出作 开关 ｓ 实现 主动 侧 杆 不 同反 馈 方 式 之 间 的 切 为 侧杆位 移伺 服 器 的反馈控 制信 号 。 换 。 上 偏 ， 通俯 仰 角速 度反 馈 ； 下偏 ， 通俯 接 Ｓ 接 仰 角反 馈 ； ｓ 若 中立 ， 等价 于 被 动 侧 杆杆 力 传 感 则 １ ２ 主 动侧杆 引导 的 人机 系统模 型 ． 人感 系统 特性 。 对 于被 动侧 杆 的 人机 系统 ， ｓ 建 立 了飞 行 品 Ｈｅｓ Ｈｅｓ ｓ 研究 了被 动 侧 杆 的 人 机 系 统 模 型 ， 图 ３ 如
的方法得到结构驾驶员模型参数（ 见表 ３ ）
表 ２ 被 动 侧 杆 与 主 动 侧 杆 动 力 学 特 性 被 动 侧 杆
／ａ ・ ｒ ｄ ｓ一 ２． ４ ７６
主动 侧 杆
ａｅ ／ ￣ Ｈｚ ｓ ７ ０
２ ＰＯ 预 测 方 法 Ｉ
驾驶员以本体感受的反馈信号 （） ｔ作为衡量
式 中， 取 Ｍ ＝ ． ，） ０ ７ Ｏ Ｍ＝１ ｄ ｓ ， Ｎ ０ｒ ／ 。 ａ
本体感受环节 ｌ ， 保证人机开环传递 函数在 ｔ Ｐ ｏ
处 幅频 特性 曲线 斜率 为 一 ０ｄ ／ ０ｏｔ ２ Ｂ １ ｃ。 被 动侧 杆 的人感 系统 为 ：
３ １ 方 法验证 ．
经过 变换后 的 图 ５ 可 以参 照 Ｈ ｓ 的研究 方 ， ｅｓ
、 。
在 被动侧 杆 情 况下 ， 用 取 代 ｙ 即可 。由前
驶员在 １ Ｓ ５ 内的跟踪误差曲线（ 图６ 。通过仿真 见 ） 计算 ， 于被 控对 象 １ ｓ， 进 行 跟踪 任 务 时 ， 动 对 ／ 在 主 侧杆 Ｘ ２取 得 的效 果 最 好 ， １次 之 ， 动 侧 杆 效 果 ｘ 被
作者简 介 ： 李玉风 （９ ３ ） 女 ， １８ 一 ， 山东青 岛人 ， 硕士 ， 研究 方向为飞行力学与控制 。
１ ０
飞
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力
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第２ ６卷
的输入信 号 ， 多数 情况 下 ， 位 移 ｓ 作 为 飞机 的控 杆 被
图中 ， 虚线框 中部 分 为 Ｈ ｓ 结 构 驾 驶 员 模 型 ； ｅｓ ｙ 主动侧 杆 引导方 式 下 的位 置伺 服器 动 态特 性 ， 为
务要求 ， 保证开环穿越 频率 ； 时间延迟 。 反映了驾
驶 员 的操纵 延迟 ， 般取 。 ０２ｓ 一 ＝ ． 。
第 ６期
李玉风等． 主动侧杆 操纵 的人机特性评价方法
神 经肌 肉环 节
为：
Ｙ ／ｓ＋￣ ｔＭ ＋ ，） （） ３ 方法验证及机理分析 Ｎ Ｍ： （ ２Ｎ ｊ ｔＭ Ｍｖ ｏ １ ｏＳ
验系统建模和评价方 法是否合理 ， 为此 ， 用文献 选
［］ ７ 的试验 结果 进行 比较 验证 。
根 据文 献 ［ ， 择 被 控 对 象 为 双 积 分 环 节 ７］ 选
主 动侧 杆 的人感 系统 为 ：
ｙ ＝ ｙ５ １＋Ｋ Ｇ ） Ｐ（ （ ｉ＝ｑ ） ， （） ３
１ｓ， 动侧 杆人 感 系统 、 置 伺 服 系统 、 动 侧 杆 ／ 被 位 主 反馈 参数 如表 ２所 示 。 取 ０ ＝ ． ａ／ ， ９ ２０ｒｄｓ 由文 献 ［ ］ 定 驾 驶 员 参 数 ８确
式 中 ，ｉ 对 应 的俯 仰 角 或 俯 仰 角 速 度 的 传 递 函 Ｇ为 数； 俯仰 角 反 馈 系 数 为 ， 应 的 主 动 侧 杆 记 为 对 Ｘ１俯 仰 角速度 反 馈 系 数 为 ， 应 的 主 动侧 杆 记 ； 对 为 Ｘ 位置伺 服 器 具 有 与 ｙ ２； 相 同的表 达形 式 ， 其 自然 振荡 频率 用 ｔ ｏ 表示 。
一： 杆 奏 ห้องสมุดไป่ตู้ 翌固
图 １ 被动侧杆引导方式
的触 觉反 馈信 息 ， 给驾 驶员 一种 触 觉感 示 ， 以加强 驾 驶 员 的“ 情景 意识 ” ｓｕ ｔ ｎｌ ｗ ｒｎｓ）４ 从 而 （ｉ ａ ｏ ａ ａ ａｅ ｅｓ Ｅ“ ， ｔ ｉ 提 高 飞行 品质 ， 防 ＰＯ的发 生 。 预 Ｉ
图 ４所 示 。
驾驶员模 型
系统模 型可 见 ， 动侧 杆 的反 馈 参 数 改 变 了人 感 系 主 统 的动 力学 特性 。
ｌ
｛ 互卜 ， ｛
Ｕ 。
本体感受反馈
厂 一 。 ］ ： ！ Ｉ — ｔ
Ｉ
Ｉ
前庭反馈 ！
厂 ］ 一 ： Ｌ＝： Ｉ ‘ ＿：： ～
法 ， 行 主动侧 杆 的人 机 系统 评 价 。这 首先 需 要 检 进
ｙ ＝Ｋ ｓ ２ （ ＋２ ｐ ｒ ＋ ｓ 耶 ｖ ｓ ／ （ｓ ｓ 夤 （ ） ｏ ｔ ｓ ） ２ 式 中 ， 耶为力梯 度 ； 耶为 自然 振 荡 角 频 率 ； 为 阻 ｔ ｏ
尼 比。
所示 Ｊ 。图 中 ， Ｇ为俯 仰 角指令 信 号 ， 为 实 际 的俯 质 的评价 方 法 ｊ 。但主 动侧 杆人机 系统 的控 制 结 构 仰 角输 出 ； 关 ｓ 实 现杆力 传 感 人感 系 统 与杆 位 移 不 同 ， 开 为此 ， 要 对 系 统 进 行 相应 的 变换 ， 化 为 与 需 转 ｅｓ 见 ） 就 传感 人感 系统 之 间 的切 换 ， 上偏 接 通 杆 力 传 感人 Ｈ ｓ 模型 一致 的形 式 （ 图 ５ 。这 样 ， 可 以 借鉴 Ｓ ｅｓ的人 机 闭环飞 行 品 质评 价 指 标 ， 对 ＰＯ进 行 并 Ｉ 感 系统 ， 反之 接通 杆位 移传感 人 感 系统 ； 考虑 运 动 Ｈ ｓ 不
纵 特点 ， 建立 人 机 系 统模 型控 制 结 构 和人 机 特 性 评
收 稿 日期 ：０ ８０ —４ 修 订 日期 ：０ ８０ —８ ２０ —１１ ； ２０ —７ １ 基 金项 目： 航空科学基金资助项 目（ ０６ Ａ １０ ） ２ ０ Ｚ ５０ ４
图 ２ 主动侧杆引导方式
在被动侧杆模态下 ， 驾驶员的作用力 Ｆ是侧杆
侧杆 反馈 参数与被控对象特 性 密切 相关 ，对 于难 以控 制 的被 控对 象 ，主 动侧 杆反馈 俯 仰角 速度 能取 得更 好 的
效果 。
关
键
词 ：主动侧杆 ；触觉 感示 ； 飞行 品质 ； Ｉ ＰＯ
文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ２０ ５ （０ ８ ０ —０ ９０ １０ —８３ ２０ ）６０ ０ －５
影响时， 前庭 反馈 Ｋ ０ ＝ 。 主 动侧杆 情况 下 ， 人感 系统 的特性 需要 变 化 ， 这
预测 。
图 ５中 ， 开关 Ｊ 实 现 主动侧 杆 与 被 动侧 杆 之 间 ｓ
种 变化 有赖 于 飞机 的运 动 状 态 ， 以需 要 反 馈 飞 机 的切换 。Ｓ 上偏 接通 主动 侧杆 ， ， 偏 接通 具 有 杆 所 ， Ｊ下 ｓ 的运动 ， 同时这 种 反 馈 应 该 被 驾 驶 员感 知 。根 据 这 位 移传感 特性 的被 动 侧 杆 。对 比 Ｈｅｓ的人 机 闭 环 ｓ 些 要求 ， 建立 主动 侧杆 控制 下 的人 机 系统结 构 图 ， 如
人感 特 性对 飞 机 飞 行 品质 的影 响 ， 目前 还 存 在 很 多争 议性 问题 ， 是 人 们 研 究 的 热 点 。对 于 被 动 仍
侧 杆 的固定 人感 系 统 特性 ， ｅｓ 出 了 人机 控 制 模 Ｈ ｓ提 型 结构 ， 并建 立 了系 统 评 价 方 法 。主 动 侧 杆 的重 要
视觉反馈
图 ３ Ｈ ｓ 人机 闭环 系统模 型 ｅｓ
ｃ
～
、
艿
ｙ
Ｊ一 ｌ
Ｕｌ Ｍ
视反 觉馈
一
图 ４ 主动侧杆 引导 下的人 机闭环仿真结构框图
！｜ 卜 一
图 ５ 主动侧 杆引导的等效人机闭环仿真结构框图
转角频率 ∞ 由所执行的任务决定 ， 这里近似取
为 ２ ０ｒｄ ｓ ； 驶 员 的增 益 的作 用 是 根 据 任 ． ａ／ 驾
摘
要 ：建立 了一种主动侧杆的人机系统控制模型 ，基 于 Ｈ ｓ ｅｓ的结构驾驶 员模型 ，提 出一种研究 主动侧杆
引导方式 下 ，人机闭环飞行品质评价及 ＰＯ预 测 的方 法 ，并与试 验结果 进行 比较 ，以验 证其合 理性 。用该 评价 Ｉ
和预测 方法 ，进一 步分析 了主动侧杆在反馈俯仰 角和俯 仰角速 度 的构 型下对 飞行 品质的影 响。结果表 明 ，主动
根 据 图 ５可 得该传 递 函数 的形式 为 ：
ＹＦ ｓＹＰＹｅ Ｎ — Ｆ Ｙ ．ｅＴ
１ ＋ Ｙｃ ＹＮ ｅ Ｙｅ Ｍ ＋ ＹＦ ｓＹＰＹＮ Ｆ Ｍ
ｒ 、
根 据 图 ４建 立 的仿真 结构 ， 分别 针对 被 动侧杆 、 主动侧 杆 ｘ１ 主动侧 杆 Ｘ 和 ２进行 仿真 计算 ， 到 驾 得
制信号。
主 动侧 杆在 每 个 运 动 轴 上 都有 伺 服舵 机 ， 过 其 取代 了被 动 侧 杆 方 式 下 的人 感 系 统 ｙ ｒ 通 ； ｃ为 被 与 飞机状 态 信息 相 关 的 电 信 号 控 制人 感 系统 特 性 。 控对 象 ， 出值分 别为 俯仰 角 ０和 俯仰 角速度 ｇ 输 。
最差 。
１ ０
述主动侧杆的人感动力学特性可知 ， 主动侧杆能够
通 过反 馈被 控对 象 的状 态 变量 改变 的形 式 ， 从而 改变 传 递 函数 Ｇ的幅频 特 性 ， 由此对 人机 闭环 系统 的飞行 品质带 来影 响 。 Ｈ ｓ 按 照 Ｃ ｏｅ— ａｐｒ驾 驶 员 评 分 标 准 将 ｅｓ ｏｐｒＨ ｒｅ
特 征是人 感 系统 特 性 随 飞 机 运 动 反 馈 而 变 化 ， 通 并
过人 感 系统 传递 给驾 驶员 。对 主 动侧 杆 的人 机 闭环 研究 ， 文献 看 ， 从 只有 一 些 驾 驶 员 在 环 的 试 验 结 果 ，
还没有基于人机系统模型预测其飞行 品质 的方法。 本 文参 考 Ｈ ｓ对 被 动侧杆 的研 究 ， 对 主 动侧 杆 操 ｅｓ 针
任务 的难 易度 量 ， ｅｓ 飞 行 品 质敏 感 函 数 ＿作 为 Ｈ ｓ取 ８
飞 行 品质 的评 价 指标 。
Ｋ ｓＮ ・（ ） ｒ ／ 。～
耶
１３ ．３
１ ０ ．
Ｋ ｑ
Ｋｏ
１０ ．
１０ ．
表 ３ 结构驾驶员模型参数
‰ ＝ ）１ ＩｔＩ （ ， ：（ｌｌ ） ｏ ５ Ｇ） ｊ１
中图 分 类 号 ：Ｖ １ ．１ ２２
引 言
对 于 电传 操 纵 的飞 机 ， 杆 替 代 中央 杆 成 为 了 侧
价 方法 。
１ 侧杆控制 的人机 系统模 型
主流趋势。电传操纵配置侧杆与中央杆 的机械操纵 相 比有诸 多 优 点 ， 也 有 缺 点 。主 要 是 由于 驾 驶 杆 １ １ 侧 杆 引导方 式 但 ． 和 飞机受 控 面之 间不存 在机 械 连接 ， 驶 员操 纵 时 ， 驾 侧 杆 的核心 是 人 感 系 统 ， 输 出可 以是 位 移 指 其 无法直接感受 到飞机受控运动后的反作用力 ， 使驾 驶 员 “ 觉 匮乏 ” 因 此 造 成 操 纵 过 快 、 量 或 难 以 令 或力 指令 。 感 ， 过