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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。
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）
。
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
。 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
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）
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
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，
2
[
L IS =
cosαcosβ sinαcosβ － sinβ cosαsin βsinγ － sinαcosγ sinαsin βsinγ + cosαcosγ cosβsinγ cosαsin βcosγ + sinαsinγ sinαsin βcosγ － cosαsinγ cosβcosγ
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
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
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，
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
［ 1］ 熊晓华， 李维嘉． 六自由度飞行模拟器体感模拟算法及仿真实 J］． 系统仿真学报， 2002 ， 14 （ 1 ） ： 26 － 27． 现［ ［ 2］ 王勇亮， 卢颖， 梁建民． 飞行模拟器六自由度运动平台的位置分 ． 计算机测量与控制，2005 ， 13 （ 11 ） ： 1243 － 析与测量控制［J］ 1244． ［ 3］延浩， 李洪人， 姜洪洲， 等． 六自由度运动模拟器的动感模拟算法 2003 （ 11 ） ： 25 － 28． 研究［J］． 机械工程师， ［ 4］ Parrish R V， Dieudonne J E，Martin D J． Motion software for a synergistic six degree of freedom motion base ［Z］． TND － 7350 ， NASA， 1973． ［ 5］ Parrish R V， Dieudonne J E， Bowles R L， et al． Coordinated adaptive washout for motion simulators［J］． Journal of Aircraft， 1975 ， 12 （ 1 ） ： 44 － 50． ［ 6］ Sivan R，Ishshalom J，Huang J K． An optimal control approach to ． IEEE Transactions on the design of moving flight simulators［J］ Systems，Man，and Cybernetics， 1982 ，SMC － 12 （ 6 ） ： 818 － 827． 责任编辑： 肖滨 ［ 4］ Wang Y． Design of an Anti － counterfeiting system based on SMS ［C ］ ． IEEE International Conference on Granular Computing （ GRC’ 09 ） ， 2009 ： 572 － 575． ［ 5］ 盛苏英，吴新华． 基于混沌的数码防伪系统研究与实现［J］ ． 微 2011 ， 28 （ 5 ） ： 63 － 66． 电子学与计算机， ［ 6］ 姚建松， 杨胜利． 三级关联数码组合防伪方案在香烟防伪中的 2007 ， 28 （ 8 ） ： 85 － 86 ， 92． 应用［J］． 包装工程， ［ 7］ 王向华，刘秀功，谢涛． 一种新型的数码防伪系统［J］． 计算机 2006 ， 32 （ 3 ） ： 171 － 174． 工程， ［ 8］ Zheng Y F ，Chen G R ，Zhu C Y． A system inversion approach to chaos_based secure speech communication［ J］ ． International Journal of Bifurcation and Chaos （ Int． JBC） ， 2005 ， 15 （ 8 ） ： 2569 － 2566． ［ 9］ Kanso A． Cipher system based on controlled exact chaotic maps［ J］ ． International Journal of Bifurcation and Chaos （ Int． JBC） ， 2010 ， 20 （ 12 ） ： 4039 － 4053． ［ 10］ Reza M S，Mehdi D． Chaotic behavior and dynamics of maps used in a method of scrambling signals［J］． International Journal of Bifurcation and Chaos （ Int． JBC） ， 2010 ， 20 （ 12 ） ： 4097 － 4101． 责任编辑： 么丽苹