專利名稱:大氣紊流在飛行模擬器上的一種仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及的飛行模擬器飛行系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱飛行系統(tǒng))是由主解算計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行解算的仿真設(shè)備。
本發(fā)明涉及的飛行模擬器六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱運(yùn)動(dòng)系統(tǒng))是由平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制的六自由度瞬時(shí)過載仿真設(shè)備。
本發(fā)明涉及的儀表系統(tǒng)是飛行模擬器座艙內(nèi)的主要指示儀表,包括空速表、高度表,迎角指示器,過載指示器,航行駕駛儀,指令駕駛儀,M數(shù)表,升降速度表。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 在主解算計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)紊流程序,由隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生白信號(hào),經(jīng)過對(duì)三個(gè)方向紊流分量的頻譜函數(shù)的有理化處理,再經(jīng)過濾波器處理,形成紊流的三個(gè)分量,將這三個(gè)紊流分量經(jīng)過坐標(biāo)變換加入到飛機(jī)的飛行速度中,再代入到運(yùn)動(dòng)方程中進(jìn)行結(jié)算,最后得出相關(guān)的飛機(jī)飛行狀態(tài)參數(shù)。
將輸送到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的飛行狀態(tài)參數(shù)輸出到網(wǎng)卡,再輸送到HUB,再到網(wǎng)卡,通過網(wǎng)卡輸出到平臺(tái)控制計(jì)算機(jī),去控制平臺(tái)六個(gè)缸的長(zhǎng)度;平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)這些飛行狀態(tài)參數(shù),經(jīng)過一系列變換與濾波得到能反映飛機(jī)由于線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)而在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的飛行員座椅處產(chǎn)生的過載及其它動(dòng)感信號(hào)作為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)的三個(gè)線位移(X、Y、Z)及三個(gè)轉(zhuǎn)角(俯仰角、偏轉(zhuǎn)角、滾轉(zhuǎn)角)。由于平臺(tái)任何一個(gè)自由度的改變都是六根電動(dòng)缸的長(zhǎng)度組合運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,所以要將平臺(tái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過幾何變換成為每一根電動(dòng)缸的長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)信號(hào),使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生六個(gè)自由度的位置和姿態(tài)。
輸送到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的飛行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)包括 飛機(jī)加速度在X上分量,飛機(jī)加速度在Y上分量,飛機(jī)加速度在Z上分量,俯仰角變化率,滾轉(zhuǎn)角變化率,偏航角變化率,俯仰角,滾轉(zhuǎn)角,偏航角,飛機(jī)角速度在X上的分量,飛機(jī)角速度在Y上的分量,飛機(jī)角速度在Z上的分量,飛機(jī)角加速度在X上的分量,飛機(jī)角加速度在Y上的分量,飛機(jī)角加速度在Z上的分量。
將輸送到儀表系統(tǒng)的飛行狀態(tài)參數(shù)輸出到網(wǎng)卡,再到HUB,再到網(wǎng)卡,通過網(wǎng)卡輸送到飛行模擬器的主要儀表中,具體是空速表、高度表,迎角指示器,過載指示器,航行駕駛儀,指令駕駛儀,M數(shù)表,升降速度表。直接驅(qū)動(dòng)儀表指針指示飛行狀態(tài)參數(shù)值。
輸送到儀表系統(tǒng)的飛行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)有 飛機(jī)空速,高度,迎角,過載,M數(shù),升降速度,俯仰角,滾轉(zhuǎn)角,偏航角。
本發(fā)明的積極效果在于提供了一種準(zhǔn)確的大氣紊流模擬方法,建立的大氣紊流仿真模型在頻譜響應(yīng)和仿真結(jié)果上更接近于大氣紊流的統(tǒng)計(jì)特性,大氣紊流的變化幅頻也更劇烈。將這種紊流參數(shù)輸入到模擬器主解算計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)方程中進(jìn)行解算,得出的飛機(jī)飛行狀態(tài)參數(shù)直接輸送到模擬器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)中,就可以模擬紊流對(duì)飛機(jī)飛行狀態(tài)的影響,特別是大氣紊流帶來的飛機(jī)抖振的影響,模擬的效果也準(zhǔn)確逼真,避免了傳統(tǒng)方法中直接人為地設(shè)置一個(gè)抖振函數(shù)加入到模擬器的儀表系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中去模擬紊流的抖振影響而帶來的誤差和失真。
圖1是本發(fā)明的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2、3是本發(fā)明的參數(shù)輸出流程圖。
圖4是本發(fā)明的應(yīng)用設(shè)備的控制信號(hào)流程圖
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
在主解算計(jì)算機(jī)1上啟動(dòng)紊流程序,由隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生白信號(hào),經(jīng)過對(duì)三個(gè)方向紊流分量的頻譜函數(shù)的有理化處理,再經(jīng)過濾波器處理,形成紊流的三個(gè)分量,將這三個(gè)紊流分量經(jīng)過坐標(biāo)變換加入到飛機(jī)的飛行速度中,再代入到運(yùn)動(dòng)方程中進(jìn)行結(jié)算,最后得出相關(guān)的飛機(jī)飛行狀態(tài)參數(shù)(參見圖1、4)。
根據(jù)圖2、圖3、圖4,將輸送到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的飛行狀態(tài)參數(shù)輸出到網(wǎng)卡2,再輸送到HUB 3,再到網(wǎng)卡4,通過網(wǎng)卡4輸出到平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)5,去控制平臺(tái)六個(gè)電動(dòng)缸的長(zhǎng)度6,7,8,9,10,11;平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)5根據(jù)這些飛行狀態(tài)參數(shù),經(jīng)過一系列變換與濾波得到能反映飛機(jī)由于線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)而在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的飛行員座椅處產(chǎn)生的過載及其它動(dòng)感信號(hào)作為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)的三個(gè)線位移(X、Y、Z)及三個(gè)轉(zhuǎn)角(俯仰角、偏轉(zhuǎn)角、滾轉(zhuǎn)角)。由于平臺(tái)任何一個(gè)自由度的改變都是六根電動(dòng)缸的長(zhǎng)度6、7、8、9、10、11組合運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,所以要將平臺(tái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過幾何變換成為每一根電動(dòng)缸的長(zhǎng)度6、7、8、9、10、11的驅(qū)動(dòng)信號(hào),使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生六個(gè)自由度的位置和姿態(tài)。
輸送到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的飛行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)包括 飛機(jī)加速度在X上分量,飛機(jī)加速度在Y上分量,飛機(jī)加速度在Z上分量,俯仰角變化率,滾轉(zhuǎn)角變化率,偏航角變化率,俯仰角,滾轉(zhuǎn)角,偏航角,飛機(jī)角速度在X上的分量,飛機(jī)角速度在Y上的分量,飛機(jī)角速度在Z上的分量,飛機(jī)角加速度在X上的分量,飛機(jī)角加速度在Y上的分量,飛機(jī)角加速度在Z上的分量。
將輸送到儀表系統(tǒng)的飛行狀態(tài)參數(shù)輸出到網(wǎng)卡2,再到HUB 3,再到網(wǎng)卡4,通過網(wǎng)卡4輸送到飛行模擬器的主要儀表中,具體是空速表12、高度表13,迎角指示器14,過載指示器15,航行駕駛儀16,指令駕駛儀17,M數(shù)表18,升降速度表19。直接驅(qū)動(dòng)儀表指針指示飛行狀態(tài)參數(shù)值。(參見圖3、4) 輸送到儀表系統(tǒng)的飛行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)有 飛機(jī)空速,高度,迎角,過載,M數(shù),升降速度,俯仰角,滾轉(zhuǎn)角,偏航角。
具體相關(guān)參數(shù)計(jì)算如下 1、紊流的數(shù)學(xué)建模過程; 本發(fā)明研究了一種新的紊流計(jì)算模型。即基于Dryden模型的建模方法,采用對(duì)Von Karman大氣紊流模型進(jìn)行有理化處理,并確定新的濾波器參數(shù)的方法,在時(shí)域內(nèi)實(shí)時(shí)生成大氣紊流。
(1)Von Karman大氣紊流模型進(jìn)行有理化處理 Von Karman得出反應(yīng)大氣數(shù)理統(tǒng)計(jì)特性的三個(gè)方向紊流分量的頻譜函數(shù)是 其中,ΦVu(Ω)、ΦVv(Ω)、ΦVw(Ω)是紊流的空間頻譜函數(shù)在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量; Lu、Lv、Lw是紊流尺度在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量; σu、σv、σw分別為紊流強(qiáng)度在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量; Ω為空間頻率;a=1.339. 為便于進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真,將空間頻譜轉(zhuǎn)化成時(shí)間頻譜,結(jié)果如下 其中,Φu(ω)、Φv(ω)、Φw(ω)是紊流的時(shí)間頻譜函數(shù)在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量; V為氣流速度;ω為時(shí)間頻率; (2)新的濾波器參數(shù)的確定 為了使模型能夠在仿真時(shí)域中用于模擬實(shí)現(xiàn),將傳遞函數(shù)進(jìn)行有理化逼近,將不能直接用于仿真實(shí)現(xiàn)的紊流模型簡(jiǎn)化成一階,即 其中,Gu(s)、Gv(s)、Gw(s)是傳遞函數(shù)在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量; Ku、Kv、Kw是比例系數(shù)在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量; Tu、Tv、Tw是系數(shù)在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量; 最后得出成型濾波器的傳遞函數(shù)為 最后得出紊流在地面坐標(biāo)系中三個(gè)方向的分量 其中Wxd、Wyd、Wzd是紊流在地面坐標(biāo)系中三個(gè)方向的分量; 下標(biāo)n表示當(dāng)前時(shí)刻的值,n-1表示上一時(shí)刻的值; rn是隨機(jī)數(shù);Δt為當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻的時(shí)間間隔; 2、參數(shù)的疊加與輸出 由上述公式計(jì)算出紊流在地面坐標(biāo)系中三個(gè)方向的分量,再通過方向余弦矩陣轉(zhuǎn)換到機(jī)體軸系 Wxt=Wxd·l11+Wyd·l21+Wzd·l31 Wyt=Wxd·l12+Wyd·l22+Wzd·l32(10) Wzt=Wxd·l13+Wyd·l23+Wzd·l33 其中l(wèi)11、l12、l13、l21、l22、l23、l31、l32、l33為方向余弦; 然后將其疊加到飛機(jī)的速度中 Vx=Vxt-Wxt Vy=Vyt-Wyt (11) Vz=Vxz-Wzt 其中,Vx、Vy、Vz為飛機(jī)速度在機(jī)體坐標(biāo)系X,Y,Z上的分量; 其中Vxt、Vyt、Vzt為飛機(jī)速度在機(jī)體軸X,Y,Z上的分量; 然后將得出的飛機(jī)速度值代入到飛行運(yùn)動(dòng)方程中,在主解算計(jì)算機(jī)上進(jìn)行結(jié)算,得出相應(yīng)的飛機(jī)飛行狀態(tài)參數(shù)。
飛機(jī)角加速度 其中,
為飛機(jī)角加速度在X,Y,Z上的分量; Ix、Iy、Iz為飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在X,Y,Z上的分量; Ixy為飛機(jī)繞X,Y軸的慣性積; Mx、My、Mz為作用在飛機(jī)上的合外力矩在X,Y,Z上的分量; 飛機(jī)角速度 其中ωx、ωy、ωz為飛機(jī)角速度在X,Y,Z上的分量; 飛機(jī)加速度 其中
為飛機(jī)加速度在X,Y,Z上的分量; Fx、Fy、Fz為作用在飛機(jī)上的合外力在X,Y,Z上的分量; m為飛機(jī)質(zhì)量; 飛機(jī)速度 角變化率 其中,
分別為飛機(jī)的偏航角變化率、滾轉(zhuǎn)角變化率、俯仰角變化率; 其中,ψ、γ、θ分別為飛機(jī)的偏航角、滾轉(zhuǎn)角、俯仰角; 飛機(jī)空速 飛機(jī)的過載 ny=Fy/G+cosθ·cosγ(19) 飛機(jī)的迎角 飛機(jī)M數(shù) 飛機(jī)的升降速度 Vyd=Vxt·l21+Vyt·l22+Vzt·l23 (22) 飛機(jī)的高度 nh=n-1h+Vyd·Δt。(23) 根據(jù)圖1,所示經(jīng)過主解算計(jì)算機(jī)的解算,得出飛機(jī)飛行的運(yùn)動(dòng)參數(shù),這些參數(shù)包含由于紊流影響而產(chǎn)生的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的附加量,將這些參數(shù)輸送到儀表系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)去,驅(qū)動(dòng)這些系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。
1、儀表系統(tǒng)將相應(yīng)參數(shù)直接輸送到儀表系統(tǒng)的各個(gè)儀表中,驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的儀表轉(zhuǎn)動(dòng),指示對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。
2、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)輸送到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的解算計(jì)算機(jī)中,解算計(jì)算機(jī)將有關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),即三個(gè)坐標(biāo)軸方向的線加速度和三個(gè)坐標(biāo)軸方向的角速度和角加速度以及飛機(jī)的姿態(tài)角(俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角),進(jìn)行變換和濾波,得到能反映飛機(jī)由于線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)而在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的飛行員座椅處產(chǎn)生的比力,及其它動(dòng)感信號(hào)作為平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)線位移及三個(gè)轉(zhuǎn)角,由于平臺(tái)的任何一個(gè)自由度的改變都是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)六根動(dòng)作筒組合運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,所以要將平臺(tái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過幾何變換,成為每一根動(dòng)作筒的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)計(jì)算機(jī)計(jì)算出六根動(dòng)作筒位移數(shù)字信號(hào),通過D/A轉(zhuǎn)換,將其轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)動(dòng)作筒運(yùn)動(dòng)的模擬信號(hào),驅(qū)動(dòng)動(dòng)作筒運(yùn)動(dòng),以模擬大氣紊流對(duì)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響。
權(quán)利要求
1、一種大氣紊流在飛行模擬器上的仿真方法,包括以下步驟
在主解算計(jì)算機(jī)(1)上啟動(dòng)紊流程序,由隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生白信號(hào),經(jīng)過對(duì)三個(gè)方向紊流分量的頻譜函數(shù)的有理化處理,再經(jīng)過濾波器處理,形成紊流的三個(gè)分量,將這三個(gè)紊流分量經(jīng)過坐標(biāo)變換加入到飛機(jī)的飛行速度中,再代入到運(yùn)動(dòng)方程中進(jìn)行結(jié)算,最后得出相關(guān)的飛機(jī)飛行狀態(tài)參數(shù);
將這些飛行狀態(tài)參數(shù)輸出到網(wǎng)卡(2),再輸送到HUB(3),再到網(wǎng)卡(4),通過網(wǎng)卡(4)輸出到平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)(5)——平臺(tái)六個(gè)電動(dòng)缸的長(zhǎng)度(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11);平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)(5)根據(jù)這些飛行狀態(tài)參數(shù),經(jīng)過一系列變換與濾波得到能反映飛機(jī)由于線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)而在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的飛行員座椅處產(chǎn)生的過載及其它動(dòng)感信號(hào)作為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)的三個(gè)線位移(X)、(Y)、(Z)及三個(gè)轉(zhuǎn)角俯仰角、偏轉(zhuǎn)角、滾轉(zhuǎn)角;將平臺(tái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過幾何變換成為平臺(tái)的每一根電動(dòng)缸的長(zhǎng)度(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生六個(gè)自由度的位置和姿態(tài);
輸送到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的飛行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)包括
飛機(jī)加速度在X上分量,飛機(jī)加速度在Y上分量,飛機(jī)加速度在Z上分量,俯仰角變化率,滾轉(zhuǎn)角變化率,偏航角變化率,俯仰角,滾轉(zhuǎn)角,偏航角,飛機(jī)角速度在X上的分量,飛機(jī)角速度在Y上的分量,飛機(jī)角速度在Z上的分量,飛機(jī)角加速度在X上的分量,飛機(jī)角加速度在Y上的分量,飛機(jī)角加速度在Z上的分量;
將輸送到儀表系統(tǒng)的飛行狀態(tài)參數(shù)輸出到網(wǎng)卡(2),再到HUB(3),再到網(wǎng)卡(4),通過網(wǎng)卡(4)輸送到飛行模擬器的主要儀表中,具體是空速表(12)、高度表(13),迎角指示器(14),過載指示器(15),航行駕駛儀(16),指令駕駛儀(17),M數(shù)表(18),升降速度表(19),直接驅(qū)動(dòng)儀表指針指示飛行狀態(tài)參數(shù)值;
輸送到儀表系統(tǒng)的飛行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)包括
飛機(jī)空速,高度,迎角,過載,M數(shù),升降速度,俯仰角,滾轉(zhuǎn)角,偏航角。
2、權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于反應(yīng)大氣數(shù)理統(tǒng)計(jì)特性的三個(gè)方向紊流分量的頻譜函數(shù)是
其中,
ΦVu(Ω)、ΦVv(Ω)、ΦVw(Ω)是紊流的空間頻譜函數(shù)在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量;
Lu、Lv、Lw是紊流尺度在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量;
σu、σv、σw分別為紊流強(qiáng)度在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量;
Ω為空間頻率;
a=1.339。
3、權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于空間頻譜轉(zhuǎn)化成時(shí)間頻譜公式如下
其中,
Φu(ω)、Φv(ω)、Φw(ω)是紊流的時(shí)間頻譜函數(shù)在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量;
V為氣流速度;
ω為時(shí)間頻率。
4、權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行有理化逼近,成-型濾波器的傳遞函數(shù)為
其中,Gu(s)、Gv(s)、Gw(s)是傳遞函數(shù)在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量;
Ku、Kv、Kw是比例系數(shù)在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量;
Tu、Tv、Tw是系數(shù)在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的分量;
得出紊流在地面坐標(biāo)系中三個(gè)方向的分量
其中Wxd、Wyd、Wzd是紊流在地面坐標(biāo)系中三個(gè)方向的分量;
下標(biāo)n表示當(dāng)前時(shí)刻的值,n-1表示上一時(shí)刻的值;
rn是隨機(jī)數(shù);
Δt為當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻的時(shí)間間隔。
全文摘要
本發(fā)明公開一種大氣紊流在飛行模擬器上的仿真方法,提供了一種準(zhǔn)確的大氣紊流模擬方法,建立的大氣紊流仿真模型在頻譜響應(yīng)和仿真結(jié)果上更接近于大氣紊流的統(tǒng)計(jì)特性,大氣紊流的變化幅頻也更劇烈。將這種紊流參數(shù)輸入到模擬器主解算計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)方程中進(jìn)行解算,得出的飛機(jī)飛行狀態(tài)參數(shù)直接輸送到模擬器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)中,就可以模擬紊流對(duì)飛機(jī)飛行狀態(tài)的影響,特別是大氣紊流帶來的飛機(jī)抖振的影響,模擬的效果也準(zhǔn)確逼真,避免了傳統(tǒng)方法中直接人為地設(shè)置一個(gè)抖振函數(shù)加入到模擬器的儀表系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中去模擬紊流的抖振影響而帶來的誤差和失真。
文檔編號(hào)G09B9/02GK101650883SQ20091006652
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日
發(fā)明者李國(guó)輝, 峰 張, 穎 盧, 李友毅 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍空軍航空大學(xué)