动态优化洗出系数充分发挥运动平台过载能力的方法

摘要

本发明公开一种动态优化洗出系数充分发挥运动平台过载能力的方法，通过代价函数确定洗出模型系数，经过实时动态优化后，产生运动平台六个自由度的位置和姿态。在机构行程中间时产生的过载较常系数洗出模型产生的运动平台六个自由度的位置和姿态变化量大，而在机构行程终点附件由于考虑了前一时刻指令输出后平台实际达到的位姿而避免了机构行程终点附近频繁的刹车，因此充分发挥运动平台过载能力，达到了最大限度发挥运动平台性能的目的。用于提高飞行模拟器动感模拟逼真度，涉及飞行模拟器六自由度运动系统动感模拟领域。

说明书

技术领域

本发明公开一种动态优化洗出系数充分发挥运动平台过载能力的方 法，用于提高飞行模拟器动感模拟逼真度，涉及飞行模拟器六自由度运动 系统动感模拟领域。

背景技术

由于飞行模拟器运动平台的行程有限，而飞机是在无限空间运动的， 提高运动平台动感模拟逼真度关键是最大限度发挥运动平台的性能。提高 运动平台过载指标，意味着造价的上升；简单地增大洗出模型的增益系数， 会造成机构行程终点附近频繁的刹车，产生虚假的动感暗示，影响模拟的 逼真度。因此确定洗出模型系数是飞行模拟器动感模拟的技术难题。目前， 从科技查新检索到国内外文献(含专利库)上看，提高飞行模拟器运动平台 动感模拟逼真度的方法一般是采用提高洗出模型的增益系数或提高运动 平台相应过载指标的方法，这些方法都没有最大限度发挥运动平台的性 能。从运动平台动感模拟实际运行过程中的输入输出数据来看，洗出模型 系数是影响飞行模拟器最大限度发挥运动平台性能的重要因素之一。

发明内容

本发明公开一种动态优化洗出系数充分发挥运动平台过载能力的方 法，最大限度发挥运动平台的性能，提高飞行模拟器动感模拟逼真度。

本发明涉及的飞行模拟器六自由度运动系统(以下简称：运动系统)是 由平台控制计算机(1)实时控制并能提供滚转(24)、俯仰(25)、偏航(26) (角度定义见附图3)、升降(23)、纵向平移(21)和侧向平移(22)(线 位移正方向见附图2)的六自由度瞬时过载仿真设备。平台控制计算机(1) 根据被模拟飞机的有关运动参数，经过一系列变换与滤波得到能反映飞机 由于线运动和角运动而在运动平台上的飞行员座椅处产生的过载及其它动 感信号作为平台运动的驱动信号，驱动信号分别对应平台的三个线位移(X、 Y、Z)(21、22、23)及三个转角(θ、φ、ψ)(24、25、26)。由于平台 (27)任何一个自由度的改变都是六根电动缸(15、16、17、18、19、20)组 合运动的结果，所以要将平台驱动信号经过几何变换成为每一根电动缸 (15、16、17、18、19、20)的驱动信号。实时送驱动信号指令给多轴控制 卡(2)。多轴控制卡(2)分别控制六台伺服驱动器(3、4、5、6、7、8)， 六台伺服驱动器(3、4、5、6、7、8)驱动相应的电机(9，10，11，12， 13，14)，电机高速转动通过机械变换变成电动缸(15、16、17、18、19、 20)的伸缩运动(见附图1)。

本发明的技术解决方案如下：

在t时刻通过平台控制计算机内的多轴控制卡测量出t-1时刻指令输 出后电动缸的实际伸长量，确认运动平台实际达到的位姿；

根据t-1时刻运动平台实际位姿和t时刻数字飞机相关的动感模拟参 数和代价函数，求出t时刻纵向和俯仰通道洗出模型的系数并确定t时刻 洗出后的纵向位移和俯仰角度；

根据t时刻数字飞机的有关动感模拟参数和代价函数，求出t时刻侧 向和滚转通道洗出模型的参数并确定t时刻洗出后的侧向位移和滚转角 度；

根据t和t-1时刻数字飞机的垂直加速度和垂直通道的洗出模型，确 定t时刻垂直通道线位移。

根据t时刻数字飞机的偏航加速度和偏航通道的洗出模型确定偏航 角；

根据洗出算法计算出来的t时刻的位姿计算出t时刻洗出后平台的指 令位置，将驱动信号指令实时送给多轴控制卡。

多轴控制卡控制六台伺服驱动器，六台伺服驱动器驱动相应的电机， 电机高速转动通过机械变换变成电动缸的伸缩运动，使运动平台产生六个 自由度的位置和姿态。

本发明的积极效果在于：提供了真实动感与运动平台模拟动感间的代 价函数关系，创立了动态优化洗出模型系数方法。通过代价函数确定洗出 模型系数，经过实时动态优化后，产生运动平台六个自由度的位置和姿态。 在机构行程中间时产生的过载较常系数洗出模型产生的运动平台六个自由 度的位置和姿态变化量大，而在机构行程终点附件由于考虑了前一时刻指 令输出后平台实际达到的位姿而避免了机构行程终点附近频繁的刹车，因 此充分发挥运动平台过载能力，达到了最大限度发挥运动平台性能的目的。

附图说明

附图1是本发明应用设备的控制信号流程图。

附图2是本发明应用设备中固定平台、活动平台示意图。

附图3是本发明应用设备中运动平台欧拉角定义示意图。

附图4是本发明软件流程图。

附图5是本发明应用设备中运动平台上下铰接点及缸长示意图。

附图6是本发明应用设备中运动平台矢量关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

洗出是指运动系统控制软件接收来自飞机的运动参数，经过一系列变 换、滤波、补偿成为能反应飞机动感与瞬时过载的驱动信号的过程。这种 驱动信号使运动平台在完成一次突发运动之后能缓慢返回中立位置，以便 在有限行程范围内能执行下一次突发运动指令，要求运动平台能以低于人 对过载感觉阈限(0.02g)的平缓运动回中立位置。

附图2所示，在活动台(27)、固定台(28)上分别建立O_mXYZ和OXYZ坐 标系，其中，O_m、O点分别为两个正6边形的几何中心(质心)。OXYZ以运 动平台处于中立位置时的质心在地面上的投影为原点，铅垂轴与重力方向 平行，向上为正(Z轴)，纵轴(X轴)指向机头为正，横轴(Y轴)按右 手定则指向机头左侧为正。O_mXYZ坐标系三个轴的指向及极性同OXYZ。当 活动平台在中立时，两坐标系的指向一致。欧拉角定义见附图3。

例如：上、下平台正六边形外接圆半径分别为1900毫米和2400毫米， 在上面定义的坐标系内，计算出相应上、下铰接点坐标。此时，电动缸未 伸长，平台底位高度是1500毫米，电动缸有效行程是1200毫米。平台中 立高度是2300毫米。在运动平台控制计算机上，每10毫秒进行一次解算。

动态优化洗出系数充分发挥运动平台过载能力方法的软件流程图如 附图4。

具体步骤：

1.在t时刻求出t-1时刻输出后运动平台实际达到的位姿

由于运动平台软件控制采取的是开环控制，为了最大限度发挥运动平 台的性能，提高飞行模拟器动感模拟逼真度。需要实时地计算运动平台实 际位姿。

已知六根电动缸的长度l_i，求出运动平台的位姿即机构三个线位移 (x，y，z)和三个转角叫运动平台正解，其中，分别为绕x、y、z 轴转动形成的滚转角，偏航角和俯仰角。

求解方法是先将t-1时刻的电动缸实际伸长长度通过多轴控制卡(18) 转换成数字量|l_i(t-1)|_a，通过迭代法，求出t时刻相应的x_t，y_t，z_t，θ_t，φ_t，本应 用的收敛标准是相邻两次差值的2-范数不超过0.00001，即收敛标准为： 满足上述收敛标准的即为t-1时刻运动平台 实际位姿(1)

2.根据t时刻数字飞机的有关动感模拟参数，求出t时刻纵向和俯仰 通道洗出模型的系数并确定t时刻洗出后的纵向位移和俯仰角度。

纵向和俯仰通道的洗出模型如下：

${\stackrel{··}{X}}_{\mathrm{wt}}={\lambda }_{\mathrm{xt}}{a}_{\mathrm{xt}}-d_x{\stackrel{·}{X}}_{w(t-1)}-e_x{X}_{w(t-1)}---\left(2\right)$

式中：

a_xt—t时刻数字飞机的纵向线加速度；

—t时刻运动平台纵向平移加速度；

—t-1时刻运动平台纵向平移速度；

X_w(t-1)—t-1运动平台纵向平移位移

—t时刻运动平台俯仰角速度

—t-1时刻运动平台俯仰角度

—t时刻数字飞机的俯仰角速度；

d_x，e_x，ω_x—比例常数；

λ_xt，—t时刻纵向和俯仰洗出模型可调整的变增益系数。

纵向和俯仰通道的代价函数

k_x—比例常数，此处取0.3；

由最速下降法$\partial J/\partial {\lambda }_x=0,\partial J/\partial {\lambda }_{\theta }=0$：实λ_x，λ_θ时 计算出使J最小的增益系数

$\frac{\partial J}{\partial {\lambda }_x}=(a_{\mathrm{xt}}-k_x{\stackrel{··}{X}}_{\mathrm{wt}})(\frac{\partial a_{\mathrm{xt}}}{\partial {\lambda }_x}-k_x\frac{\partial {\stackrel{··}{X}}_{\mathrm{wt}}}{\partial {\lambda }_x})=0$

${\lambda }_{\mathrm{xt}}=(a_{\mathrm{xt}}+d_x{\stackrel{·}{X}}_{w(t-1)}+e_x{X}_{w(t-1)})/k_x{a}_{\mathrm{xt}}$

${\stackrel{··}{X}}_{\mathrm{wt}}=k_x{a}_{\mathrm{xt}}+(k_x-1)d_x{\stackrel{·}{X}}_{w(t-1)}+(k_x-1)e_x{X}_{w(t-1)}$

${\stackrel{·}{X}}_{\mathrm{wt}}={\stackrel{·}{X}}_{w(t-1)}+{\stackrel{··}{X}}_{\mathrm{wt}}\mathrm{\Delta T}$

$X_{\mathrm{wt}}={\stackrel{·}{X}}_{\mathrm{wt}}\mathrm{\Delta T}+0.5{\stackrel{··}{X}}_{\mathrm{wt}}\Delta T^2---\left(5\right)$

—t时刻洗出后运动平台纵向平移速度

X_wt—t时刻洗出后运动平台的纵向线位移

—t时刻洗出后运动平台俯仰角度

通过上面的求解，得到t时刻纵向洗出模型的系数：

${\lambda }_{\mathrm{xt}}=(a_{\mathrm{xt}}+d_x{\stackrel{·}{X}}_{w(t-1)}+e_x{X}_{w(t-1)})/k_x{a}_{\mathrm{xt}}---\left(7\right)$

纵向位移X_wt和俯仰通道洗出模型的系数：

3.根据t时刻数字飞机的有关动感模拟参数，求出t时刻侧向和滚转 通道洗出模型的参数并确定t时刻洗出后的侧向位移和滚转角度。

侧向和滚转通道的洗出模型如下：

${\stackrel{··}{Z}}_{\mathrm{wt}}={\lambda }_{\mathrm{zt}}{a}_{\mathrm{zt}}-d_z{\stackrel{·}{Z}}_{w(t-1)}-e_z{Z}_{w(t-1)}---\left(9\right)$

${\stackrel{·}{\theta }}_{\mathrm{wt}}={\lambda }_{\mathrm{\theta t}}({\stackrel{·}{\theta }}_{\mathrm{at}}+{\omega }_z{\theta }_{w(t-1)})---\left(10\right)$

式中：

a_zt—数字飞机的侧向线加速度；

—t时刻运动平台侧向平移加速度；

—t-1时刻运动平台侧向平移速度；

Z_w(t-1)—t-1时刻运动平台侧向平移位移；

—t时刻运动平台滚转角速度；

θ_w(t-1)—t-1时刻运动平台滚转角度；

—t时刻数字飞机的滚转角速度；

d_z，e_z，ω_z—比例常数；

λ_z，λ_θ—可调整的变增益系数。

侧向和滚转通道的代价函数

$J=0.5{(a_{\mathrm{za}}-k_z{\stackrel{··}{Z}}_{\mathrm{wt}})}^2+0.5{({\stackrel{·}{\theta }}_a-(1-k_z){\stackrel{·}{\theta }}_w)}^2---\left(11\right)$

k_z—比例常数，此处取0.4；

由最速下降法$\partial J/\partial {\lambda }_x=0,\partial J/\partial {\lambda }_{\theta }=0$$\partial J/\partial {\lambda }_z=0,\partial J/\partial {\lambda }_{\theta }=0$：实λ_x，λ_θ时 计算出使J最小的增益系数

$\frac{\partial J}{\partial {\lambda }_z}=(a_{\mathrm{za}}-k_z{\stackrel{··}{Z}}_{\mathrm{wt}})(\frac{\partial a_{\mathrm{za}}}{\partial {\lambda }_z}-k_z\frac{\partial {\stackrel{··}{Z}}_{\mathrm{wt}}}{\partial {\lambda }_z})=0$

${\lambda }_{\mathrm{zt}}=(a_{\mathrm{zt}}+d_z{\stackrel{·}{Z}}_{w(t-1)}+e_z{Z}_{w(t-1)})/k_z{a}_{\mathrm{zt}}$

${\stackrel{··}{Z}}_{\mathrm{wt}}=k_z{a}_{\mathrm{zt}}+(k_z-1)d_z{\stackrel{·}{Z}}_{w(t-1)}+(k_z-1)e_x{Z}_{w(t-1)}$

${\stackrel{·}{Z}}_{\mathrm{wt}}={\stackrel{·}{Z}}_{w(t-1)}+{\stackrel{··}{Z}}_{\mathrm{wt}}\mathrm{\Delta T}$

$Z_{\mathrm{wt}}={\stackrel{·}{Z}}_{\mathrm{wt}}\mathrm{\Delta T}+0.5{\stackrel{··}{Z}}_{\mathrm{wt}}\Delta T^2---\left(12\right)$

Z_wt—t时刻洗出后平台的侧向线位移

$\frac{\partial J}{\partial {\lambda }_{\theta }}=[{\stackrel{·}{\theta }}_a-(1-k_z){\stackrel{·}{\theta }}_w](1-k_z)\frac{\partial {\stackrel{·}{\theta }}_w}{\partial {\lambda }_{\theta }}=0$

${\lambda }_{\mathrm{\theta t}}={\stackrel{·}{\theta }}_{\mathrm{at}}/\left[(1-k_z)({\stackrel{·}{\theta }}_{\mathrm{at}}+{\omega }_z{\theta }_{w(t-1)})\right]$

${\stackrel{·}{\theta }}_{\mathrm{wt}}={\stackrel{·}{\theta }}_{\mathrm{at}}/(1-k_z)$

${\theta }_{\mathrm{wt}}={\theta }_{w(t-1)}+{\stackrel{·}{\theta }}_{\mathrm{at}}\mathrm{\Delta T}/(1-k_z)---\left(13\right)$

通过上面的求解，得到t时刻侧向洗出模型的系数：

${\lambda }_{\mathrm{zt}}=(a_{\mathrm{zt}}+d_z{\stackrel{·}{Z}}_{w(t-1)}+e_z{Z}_{w(t-1)})/k_z{a}_{\mathrm{zt}}---\left(14\right)$

侧向位移Z_wt和滚转通道洗出模型的系数：

滚转角度：${\theta }_{\mathrm{wt}}={\theta }_{w(t-1)}+{\stackrel{·}{\theta }}_{\mathrm{at}}\mathrm{\Delta T}/(1-k_z).---\left(16\right)$

4.确定t时刻垂直通道线位移

垂直通道洗出模型如下：$a_{\mathrm{ywt}}=a_{\mathrm{yw}(t-1)}+\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_{\mathrm{cy}}}[K_{\mathrm{cy}}(a_{\mathrm{yt}}-a_{y(t-1)})-a_{\mathrm{yw}(t-1)}]$

式中：

a_zta_yt—t时刻数字飞机的垂直线加速度

a_y(t-1)—t-1时刻数字飞机的垂直线加速度

a_ywt—t时刻洗出后平台的垂直线加速度

a_yw(t-1)—t-1时刻洗出后平台的垂直线加速度

K_cy—比例系数

T_cy—一阶滞后时间系数

v_ywt＝v_yw(t-1)+a_ywtΔT

Y_wt＝v_yw(t-1)ΔT+0.5a_ywtΔT²                 (17)

v_ywt—t时刻洗出后平台的垂直线速度

v_yw(t-1)—t-1时刻洗出后平台的垂直线速度

Y_wt—t时刻洗出后平台的垂直线位移

通过上面的求解，得到t时刻垂直通道线位移Y_wt。

5.t时刻偏航通道偏航角确定

偏航通道洗出模型如下：

${\stackrel{··}{\phi }}_{\mathrm{wt}}={\stackrel{··}{\phi }}_t-2\zeta {\omega }_p{\stackrel{·}{\phi }}_{w(t-1)}-{\omega }_p^2{\phi }_{w(t-1)}---\left(18\right)$

${\stackrel{·}{\phi }}_{\mathrm{wt}}={\stackrel{·}{\phi }}_{w(t-1)}+\mathrm{\Delta T}{\stackrel{··}{\text{φ}}}_{\mathrm{wt}}---\left(19\right)$

${\phi }_{\mathrm{wt}}={\phi }_{w(t-1)}+\mathrm{\Delta T}{\stackrel{·}{\text{φ}}}_{\mathrm{wt}}---\left(20\right)$

式中：

—t时刻数字飞机的偏航角加速度

—t时刻洗出后平台的偏航角加速度

—t-1时刻洗出后平台的偏航角速度

φ_w(t-1)—t-1时刻洗出后平台的偏航角度

ζ，ω_p—比例系数

通过上面的求解，得到t时刻偏航通道偏航角度φ_wt。

6.计算出t时刻洗出后平台的指令位置

已知运动平台的三个线位移(x，y，z)和三个转角求出六根电动 缸的伸长量叫结构逆解，其中分别为绕x、y、z轴转动形成的滚转 角，偏航角和俯仰角。

由步骤2，3，4，5得到t时刻洗出后平台的指令位姿：三个线位移 (X_wt，Y_wt，Z_wt)和三个转角

六根电动缸在上、下两平台示意图和矢量关系如附图5、附图6所示。

图中符号说明

A_i—在固定坐标系中，从活动坐标系的原点到第i根电动缸上连接点 的矢量。

A_i，m—已知矢量。在运动坐标系中，从活动坐标系的原点到第i根电动 缸上连接点的矢量，a_i，mx，a_i，my，a_i，mz是A_i，m各元素。(i＝1，2，3，4，5，6)

B_i—已知矢量。在固定坐标系中，从固定坐标系的原点到第i根电动 缸下连接点的矢量，b_i，x，b_i，y，b_i，z是B_i各元素。(i＝1，2，3，4，5，6)

l_i—在固定坐标系中，第i根电动缸从下连接点到上连接点的矢量， l_i，x，l_i，y，l_i，z是l_i各元素。(i＝1，2，3，4，5，6)

R—在固定坐标系中，从固定坐标系的原点到活动坐标系原点的矢量。

r_i—在固定坐标系中，从固定坐标系的原点到第i根电动缸上连接点 的矢量。

从附图4可求出长度l_i：(i＝1，2，3，4，5，6)

r_i＝A_i+R

r_i＝B_i+l_i即l_i＝A_i+R-B_i

[T]为O_mXYZ和OXYZ坐标系转换矩阵

则l_i＝[T]^TA_i，m+R-B_i                                           (21)

这样，第i根电动缸的长度应为：

|l_i|＝(l²_i，x+l²_i，y+l²_i，z)^1/2    (i＝1，2，3，4，5，6)         (22)

电动缸伸长量s_i：

s_i＝/l_i/-电动缸i底位长度(i＝1，2，3，4，5，6)                  (23)

给定计算时间步长Δt(10毫秒)，按照上述方法实时求解出运动 平台的实际位姿，根据当前的数字飞机动感信号，通过代价函数确定 洗出模型的系数，最后求出当前平台的指令位姿和电动缸的指令位移， 洗出模型系数经过实时动态优化后，不仅充分发挥了运动平台过载能 力，而且避免了机构行程终点附近频繁的刹车，达到了最大限度发挥 运动平台性能的目的，提高飞行模拟器动感模拟逼真度。

本发明适用于飞行模拟器动感模拟领域，有效解决了洗出模型系 数对最大限度发挥运动平台性能影响的难题，提高了飞行模拟器动感 模拟逼真度。