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為了保證 Stewart平臺(tái)能夠在其工作空間內(nèi)為飛行員提供逼真動(dòng)感 ,對(duì)經(jīng)典洗出算法的參數(shù)選擇方法進(jìn)行了研究。通過對(duì)二階、三階線性高通濾波器和二階線性低通濾波器階躍響應(yīng)的分析 ,得出濾波器參數(shù)與階躍響應(yīng)之間的解析關(guān)系。并以此提出一種基于濾波器時(shí)域響應(yīng)的濾波器參數(shù)選擇方法 ,即對(duì)濾波器的各個(gè)參數(shù)在某一范圍內(nèi)進(jìn)行定步長搜索 ,從而選擇產(chǎn)生最優(yōu)時(shí)域響應(yīng)的濾波器參數(shù)。利用飛機(jī)起飛期間的飛行仿真數(shù)據(jù)和 Stewart平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ,結(jié)果表明利用該方法選擇的參數(shù)能充分利用 Stewart平臺(tái)的工作空間為飛行員提供逼真動(dòng)感。
全任務(wù) D 級(jí)飛行模擬器是一種典型的人在回路仿真設(shè)備 ,被廣泛應(yīng)用于飛行員訓(xùn)練和飛機(jī)研制領(lǐng)域。特別是在大型民用飛機(jī)的研制過程中 ,全任務(wù) D 級(jí)飛行模擬器也是關(guān)鍵的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備 ,在飛機(jī)操縱系統(tǒng)和人機(jī)接口的設(shè)計(jì)過程中起著重要作用 [ 1 ] 。
為了利用模擬器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有限的運(yùn)動(dòng)空間復(fù)現(xiàn)出飛機(jī)在真實(shí)飛行時(shí)的運(yùn)動(dòng)感覺 ,在飛行仿真計(jì)算出來的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)指令之間需要設(shè)計(jì)洗出算法 ,來保證飛行模擬器在完成一次突發(fā)運(yùn)動(dòng)后 ,能夠緩慢回到中立位置 ,以便有足夠的空間進(jìn)行下一次運(yùn)動(dòng) ,并且在返回過程中必須使飛行員感覺不到運(yùn)動(dòng)。這就要求運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以低于人的感覺門限 ( 0. 02g)的平緩運(yùn)動(dòng)完成運(yùn)動(dòng)的洗出。從而實(shí)現(xiàn)了利用有限運(yùn)動(dòng)空間實(shí)現(xiàn)無限空間的運(yùn)動(dòng)感覺的目的 [ 2 ] 。所以洗出算法性能的好壞直接影響動(dòng)感模擬的逼真度。
洗出算法應(yīng)用較為廣泛的主要有三種 : 經(jīng)典洗出算法 [ 3, 4 ] 、最優(yōu)控制洗出算法 [ 5 ]和協(xié)調(diào)自適應(yīng)洗出算法 [ 6 ] 。經(jīng)典濾波算法以其形式簡(jiǎn)潔、易于調(diào)整、執(zhí)行速度快、反饋快速等優(yōu)點(diǎn)至今仍被廣泛應(yīng)用在動(dòng)感模擬領(lǐng)域中。該算法具有協(xié)調(diào)洗出功能 ,能夠?qū)⒕€運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)洗出為動(dòng)感協(xié)調(diào)信號(hào) ,提高了模擬器對(duì)低頻動(dòng)感信號(hào)的復(fù)現(xiàn)能力 [ 7 ] 。
經(jīng)典洗出算法的參數(shù)直接影響算法的性能 ,但目前對(duì)經(jīng)典洗出算法參數(shù)的確定還主要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和通過飛行員的感受進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。由于算法參數(shù)比較多 ,所以調(diào)試復(fù)雜 ,并且很難發(fā)揮出 Stewart平臺(tái)最大的動(dòng)感復(fù)現(xiàn)能力。為解決此問題本文提出一種新的參數(shù)選擇方法 :利用洗出算法中各種線性濾波器的時(shí)域響應(yīng)解析表達(dá)式和遍歷搜索的方法 ,根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)位移、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)加速度的限制條件計(jì)算出洗出算法中的參數(shù)。使得洗出算法能夠?qū)崿F(xiàn)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)有限的運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)為飛行員提供逼真的運(yùn)動(dòng)感覺。
洗出算法的結(jié)構(gòu)
洗出算法一般將運(yùn)動(dòng)分為四種模式 :縱向模式 (包括縱向和俯仰兩個(gè)自由度 ) ,側(cè)向模式 (包括橫向和滾轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度 ) ,偏航模式以及上下模式。前兩種模式能夠使飛行模擬器傾斜一定的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角 ,利用重力加速度在模擬器體坐標(biāo)系中的分量為飛行員提供持續(xù)的加速度感覺 [ 8 ] 。
經(jīng)典洗出算法的輸入是飛機(jī)體坐標(biāo)系下飛行員頭部前庭處的比力和飛機(jī)三個(gè)方向的角速度。這是因?yàn)槿梭w是通過前庭器官感覺到的比力和角速度來判斷運(yùn)動(dòng)的。輸出信號(hào)為飛行模擬器的位移和姿態(tài)角。
本文通過對(duì)三階線性濾波器時(shí)域響應(yīng)過程的研究 ,得到三階線性濾波器時(shí)域響應(yīng)的解析表達(dá)式 ,并根據(jù)時(shí)域響應(yīng)提出了經(jīng)典洗出濾波器參數(shù)的計(jì)算方法。利用這種方法計(jì)算出的參數(shù)使洗出濾波器的輸出平衡了復(fù)現(xiàn)加速度和運(yùn)動(dòng)空間的矛盾 ,在有限的運(yùn)動(dòng)空間之內(nèi) ,盡可能大的實(shí)現(xiàn)所要復(fù)現(xiàn)的加速度 ,得到了令人滿意的效果。該參數(shù)選擇方法可以根據(jù)不同機(jī)型的運(yùn)動(dòng)極限值選則不同機(jī)型的參數(shù) ,同樣可以根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)范圍計(jì)算出適合不同運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的洗出濾波器參數(shù)。
但洗出算法的缺點(diǎn)仍然存在 ,本文所提出的方法是利用最惡劣的加速度信號(hào)作為輸入的 ,這樣保證了在任何條件下不超出運(yùn)動(dòng)范圍。但是對(duì)于其他的輸入信號(hào)就顯得有點(diǎn)保守。這也是在以后的工作中要解決的問題。
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