直升机飞行参数综合分析系统的设计与实现

叶 飞,彭秀云,王立国,肖 阳

（1、总参陆航部驻株洲地区军事代表室,湖南株洲412002;2、总参陆航研究所机体与发动机室,北京 101121）

直升机飞行参数综合分析系统的设计与实现

叶 飞1,彭秀云1,王立国2,肖 阳2

（1、总参陆航部驻株洲地区军事代表室,湖南株洲412002;2、总参陆航研究所机体与发动机室,北京 101121）

本文的研究目的是实现直升机飞行参数的综合分析,建立了数据采集装置、飞行参数维护子系统、飞行参数信号处理与分析子系统、智能故障诊断子系统、虚拟飞行再现与评估子系统五个部分。阐述了各个子系统的设计思路和方法,系统的设计和实现对于直升机飞参记录系统校验维护、直升机技术状态监控、飞行质量评估和飞行安全及事故分析具有重要的意义。

直升机;飞行参数;综合分析;状态监控

飞行参数记录器（黑匣子）按照时间次序记录了直升机每次飞行的各种飞参数据,它能客观真实地反映飞行的状态。随着飞行时间的推移,将积累大量的飞参数据,其中包含大量珍贵的飞行资料,以某型直升机为例,单架直升机每个月将产生大约0.5G的数据。数据量非常庞大,依据原来的数据文件进行存储将非常耗时费力。以往对飞参数据进行分析时只是依据专家的经验人工进行,不仅直观性差,效率低下,且大大增加了数据分析的难度。一些潜在的故障不能被及时发现和处理,导致一些重大事故的发生,对直升机的飞行安全构成了极大的威胁。

随着数据库技术、人工智能技术、机器学习、神经计算、图像图形技术和虚拟仿真技术的不断成熟和完善,使开发具有飞参数据进行信号处理与分析、智能故障诊断、虚拟飞行再现与评估功能的综合分析系统成为可能。该系统的开发对实现直升机基于状态的维修、确保飞行安全具有重要的意义。

1 综合分析系统的体系结构

直升机飞行参数综合分析系统包括飞行数据采集装置、飞行参数维护子系统、飞行参数信号处理与分析子系统、智能故障诊断子系统和虚拟飞行再现与评估子系统五个部分。如图1所示：

图1 综合分析系统的体系结构

数据采集装置包括飞参数据读取单元、舱音信号获取单元;飞行参数维护子系统包括飞行数据的管理、编辑、维护和纠错功能模块,实现了飞行参数的综合管理;飞行参数信号处理与分析子系统包括直升机舱音信号滤波模块、时域分析、频域分析和相关性分析等模块,实现了飞行参数的综合分析;智能故障诊断子系统具有自学习、交互式、开放式的功能,构建的知识库和规则库具有开放性和可扩充性,实现了专家经验的积累;虚拟飞行再现与评估子系统,能够再现直升机的飞行状态和仪表仿真,具有查询、快放、回放的功能,可以选择任何时间段的飞行姿态、航迹绘制,逼真度好,可信度高,能够实现飞行质量的评估。软件运行效果如图2所示：

图2 软件系统运行效果

2 实现中的关键技术

2.1 飞参数据采集和预处理

该型直升机的飞参数据有特定编码,需要翻译使用,该系统接收由走带装置传来的双频码数据,将双频码变换为标准的数据信号,对其同步后用帧同步字加以识别,并以一定的协议与计算机软件系统进行交互,使计算机软件系统正确的接收数据并存储在数据库中。[1]编码飞参数据共64种,飞参信号可以分为模拟信号和数字信号。其中数字信号也称为一次性指令。虚拟飞行再现系统用到的是一小部分,具体包括：气压高度、无线电高度、倾斜角、俯仰角、磁航向、空速表和起落架信号等。飞参大部分数据采样频率为每秒1次,部分数据每秒2次,由于直升机飞行速度快,如果只是按照采用采样点首尾相连的折线方式计算直升机的空中姿态,将会发现直升机飞行再现模拟时在空中有明显抖动,与实际不符,且影响观察效果。

分箱方法通过考察“邻居”（即周围的值）来平滑存储的数据值。它将存储的值分布到一些箱中,由于分箱方法需要参考相邻的值,因此它能对数据进行局部平滑。[2]表1中的数据是飞参数据库中9个实体的速度,“speed”数据首先被划分并存入等深的箱中（深度3）,尔后用等箱深法、箱平均值法、箱中值法、箱边界法方法进行数据平滑,如表1所示：

通过对飞参数据的分箱平滑计算后,可在不影响真实性的前提下,有效解决直升机三维视景中直升机模型抖动的问题。

2.2 模糊推理技术

直升机飞行参数综合分析系统的一个主要功能是对飞行员的训练情况进行评估,并将模糊推理理论应用到训练评估中。

采用Takagi-Sugeno（T-S）模糊系统进行模糊推理计算时,先将底层指标的测试数据转化为计算输入的模糊集向量。模糊集一般用模糊隶属度函数表示成四维的模糊集输入。利用S型（Sigmoid）函数具有光滑、平整过渡、连续可微和非线性特性,将其作为隶属度函数,由此得到飞行评估子系统的隶属度函数式：

表1 数据平滑的分箱方法

等级对应的参数如表2所示。输入三个底层指标的测试数据,可以获得每个指标属于不同评语等级的模糊隶属度,再利用模糊规则库进行T-S模糊推理,具体计算公式如（2）、（3）、（4）：[3]

表2 等级对应参数表

2.3 飞行参数信号处理与分析

飞行参数综合分析系统中,包括大量的声音、振动等信号需要进行分析与处理,课题采用美国NI公司的“虚拟仪器”软件LabVIEW中的信号分析与处理模块进行了信号的综合分析与处理。[4]其基本任务是通过飞行参数获得的振动或语音信号后,经过信号处理可求得信号的特征值,如均方值、均值、方差和概率密度等,有这些特征值可以分别获得对应的振动强度、平稳振动幅度、波动情况、振幅取值概率等有用信息。

在LabVIEW中,Time Domain提供了11个函数,包括卷积、反卷积、自相关、互相关、积分、微分、延时等运算。课题主要对信号的相关函数进行了处理。

自相关函数描述的是随机信号时间间隔τ为的任意两个时刻t与t+τ的取值x（t）与x（t+τ）的相关性,记为Rx（τ）或E[x（t）x（t+τ）]。当记录时间T不为∞时,求得的是估计值,记为（τ）。相关函数包括自相关函数和互相关函数。图3是相关函数的一个实例。

图3 综合分析系统的时域分析

2.4 智能故障诊断

直升机是一个综合系统,各种交联关系错综复杂。要建立智能故障诊断系统,必须发挥大量相关领域专家的主观能动性,不断获取、统计、分析、总结知识,丰富知识库;同时,借鉴发展现有经过验证的专家系统推理机制。在建立诊断系统时,需要解决以下两个问题：一是如何将大量排故经验集中并以知识库的方式存在计算机内,建立知识库;二是怎样模拟领域专家的思维过程,实现对故障的识别。

课题利用人工智能技术,开发了基于树结构的智能故障诊断子系统,具有知识库开放式编辑、交互式学习、自学习等功能,能够有效积累人类专家飞参分析的经验,为直升机的故障、飞行安全及事故分析提供技术保障,实用性强。运行效果如图4所示：

图4 综合分析系统的智能故障诊断

2.5 三维实时显示技术

系统的三维显示技术通过专用视景驱动软件—VTree4.0来实现,该软件提供强大的地貌、地景构建工具,支持3DMAX,Open Flight,vt等格式模型导入,提供雨,雪,阴,晴等高级特效,具有较好的人机界面,执行效率高,具有流畅、真实的视觉效果。

系统以真实的数据构建了机场模型、直升机模型和天景模型,直升机模型能够在构建的虚拟场景中按照真实的飞参数据进行驱动,系统包含基础环境创建子模块、实体模型导入子模块、特殊效果生成子模块、数据接口管理子模块、实体模型管理子模块和天候生成管理子模块,结构组成如图5所示：

图5 图形管理模块组成结构图

本系统针对的直升机由于没有安装全球定位系统（GPS）,因此需要对飞参中空速表等参数进行积分运算,得到直升机的空间地理位置。根据飞参记录仪中记录的空速表、总桨距杆位置、起落架信号、磁航向、气压高度表、无线电高度表等参数,运用飞行动力学理论可直接通过积分法算出飞行轨迹,具体计算如下：

假设坐标以正北向为Y轴,正东向为X轴,取直升机开始运动的位置为相对坐标原点,速度为V,迎角为,俯仰角为ν,磁航向角为,风速为W,风向与正北方向夹角为,时间步长为,系统采用如下计算公式：[5,6]

2.6 仪表显示技术

航空虚拟仪表组件是飞参飞行再现系统软件平台的重要组成部分,是对数据进行以仪表为主并结合二维曲线、参数表等形式综合显示的工具。本系统虚拟仪表开发采用GL—Studio软件,该软件能够大幅度增加虚拟环境中沉浸感,提高逼真度。本虚拟仪表软件的特点是具有照片级真实感,其功能如下：

1）能够实现航空仪表面板、刻度、指针的定制和编辑,实现各种参数的绑定驱动,提供“所见即所得”专业级数据显示解决方案。

2）组件提供丰富的虚拟仪表资源库和二维曲线表模板,可以使用配套工具进行开发和扩展,制作专业领域的虚拟仪表资源。

3）具有开放的数据接口,支持网络、文件、常见计算机接口等多种类型的数据接口,支持数据文件、SQL Server、Access数据库及自定义的数据文件格式。

飞行再现系统运行截图如图6所示。

a三维视景

图6 飞行再现系统运行截图

3 结束语

直升机综合分析系统构建了数据采集装置、飞行参数维护子系统、飞行参数信号处理与分析子系统、智能故障诊断子系统、虚拟飞行再现与评估子系统的一体化平台。建立了飞行参数信号处理与分析子系统,对飞行数据进行了预测分析,实现了直升机技术状态监控。为实现直升机基于状态的维修奠定了技术基础,开发的智能故障诊断子系统,实现了直升机故障的智能诊断和专家飞参分析经验的积累,对飞行安全及事故分析具有重要作用,实用性强。该系统利用直升机飞行原理,建立了直升机飞行参数和飞行特性的相关性模型。利用操纵量推算直升机的状态量,在飞参量值不足的情况下利用操纵量推算状态量,实现了直升机三维虚拟飞行再现,与固定翼飞机相比直升机飞行具有悬停转弯、倒飞、侧飞等自身特性,技术难度大,三维虚拟飞行再现对直升机飞行训练及飞行质量评估提供了新的手段。系统综合技术水平先进。课题的研究成果已经在多家单位得到推广和应用,实际效果良好。

[1]付战平,等.基于OpenGL的飞行过程再现与仿真[J].系统仿真学报,2002,14（9）：1197-1199.

[2]吴建刚,等.飞参记录数据计算机处理的有关问题研究[J].计算机仿真,2007,（2）：18-21.

[3]范剑锋.桥梁健康状态的智能评估方法研究[D].武汉理工大学,2006：64-69.

[4]邱智.飞参记录数据处理方法研究[J].科技信息, 2007,（18）：123-124.

[5]王炜,等.飞参驱动的虚拟飞行再现系统设计与实现[J].系统仿真学报,2007,19（19）：2000-2002.

[6]童梅,等.飞行再现系统的实现及其在飞行参数处理中的应用[J].计算机仿真,2002,19（1）：63-65.

[编校：张芙蓉]

Design and Realization about Synthesis Analysis System for the Helicopter Flight Parameter

YE Fei1,PENG Xiuyun1,Wang Liguo2,XIAO Yang2
（1、Military Representatives'Office in Zhuzhou District of Air and Land Branch of the Headquarters of theGeneral Staff,Zhuzhou Hunan 412002;
2、The Body and Engine Laboratary of the Air and Land Research Institute of theHeadquartersof theGeneral Staff,BeiJing 101121）

The purpose of the paper is to realize synthesis analysis for the helicopter flight parameter.Itdesigns data collection equipment,flightparametermaintenance subsystem,disposal and analyssis subsystem for flight parameter signal,intelligentobstacle diagnosis subsystem and virtual flightemersion and evaluation subsystem,and expatiates the design idea and method for each subsystem.The design and realization of the system has an importantmeaning for the verification and and maintenance of the helicop ter flight parameter recoder system,the helicopter technology statusmonitor,flight quality evaluation and flight incidents analysis.

helicopter;flight parameter;synthesis analysis;statusmonitor

TP306

A

1671-9654（2010）02-034-05

2010-03-11

叶飞（1983-）,男,陕西澄城人,工学硕士,研究方向为航空宇航推进理论与工程。