飞行模拟器的分段限幅控制策略研究

段少丽

（武汉交通职业学院 智能制造学院，湖北 武汉 430000）

0 引 言

六自由度运动平台作为飞行模拟器的运载平台，受平台运动空间的限制而不能完全复现真实飞机的运动，对此必须使用洗出算法对运动平台的输入信号进行滤波处理。目前，常用的洗出算法有经典洗出算法、自适应洗出算法、最优洗出算法。本文利用线性最优洗出算法结合人体前庭系统，将人体运动感觉作为反向传播（Back Propagation，BP）神经网络控制器的输入变量，并在输入信号高幅值段采用自适应限幅缩放控制，在低幅值段使用三阶多项式法，通过这种分段缩放限幅控制策略最大化利用平台的运动空间，提高飞行模拟器的动感逼真度[1-3]。

1 线性最优洗出算法

线性最优洗出算法构成如图1所示。

图1 线性最优洗出算法

飞行状态uA在飞行模拟器中经过洗出滤波器W(s)的控制，保证运动平台不超出运动空间范围，然后经过人体前庭模型得到飞行员在模拟器中的运动感觉。与此同时，飞行状态uA直接经过飞行员前庭系统可以得到真实的运动感觉。真实运动感觉与模拟器中运动感觉存在的差异便是运动误差，通过最优控制理论寻找一组最优线性滤波器W(s)，使运动感觉误差最小。线性最优洗出算法的主要优点在于优化过程中使用人体前庭系统模型最小化驾驶员运动感觉误差。在大多数飞行模拟情况下，最优洗出算法消除了虚假暗示并呈现更平滑的运动感觉，但是同样存在运动平台工作空间过于保守的情况，影响运动模拟效果。针对洗出滤波器的改进，相关学者提出了非线性滤波器洗出算法、基于模型预测与模糊自适应控制的洗出算法等，这些洗出算法基本都包含洗出滤波器和限幅环节，其中缩放限幅环节对运动平台空间的合理利用有关键性影响[4-9]。

飞行模拟器的状态洗出信号uS为：

式中：W(s)为飞行模拟器的洗出滤波器矩阵；uA为飞机状态矩阵。

人体感觉运动的神经中枢位于大脑前庭，主要由半规管和耳石组成[10]。其中，半规管主要感觉外界的旋转运动，耳石可以感知外界加速度信号的刺激。

由飞机纵向/俯仰方向洗出算法可知，洗出滤波器矩阵可以表示为：

将飞机状态中的纵向加速度ω、俯仰角度ax作为输入信号，则：

2 分段缩放限幅控制策略

信号在较大幅值范围内单调增加或减少时，容易使输出信号陷入局部极值而出现畸变。为了解决这个问题，本文提出一种分段缩放限幅策略，如图2所示。

图2 分段缩放限幅策略

对低幅值段输入信号采用三阶多项式法（缩放比例系数l），有效避免信号畸变问题。对于高幅值段输入信号，受运动平台工作空间的限制，为了最大程度减少飞行模拟器虚假暗示现象的发生，利用运动感觉和模拟运动感觉作为BP神经网络控制器的输入信号，自适应调节高幅值段输入信号（缩放比例系数h）。采用分段缩放限幅策略后的信号表达式为：

式中：x为输入信号；xmax为运动范围最大值；xboun为幅值分界线。

2.1 低幅值段信号缩放

当模拟器的输入信号过小时，人体不能感觉到运动状态，需要对输入信号的增益调节相对较大；当输入的信号过大时，为了防止超过模拟器的运动阈值，又不损失运动效果，此时需要对输入信号的增益调节相对较小。假设输入信号为x、输出信号为y，三阶多项式可以描述为：

式中：xmax为预期的最大输入；ymax是对应的最大输出；s0为x=0时的变化率；s1为x=xmax时的变化率。三阶多项式法的缩放系数为：

2.2 高幅值段信号缩放

输入信号高幅值段缩放原理如图3所示。

图3 高幅值段信号缩放

将输入信号幅值分为两部分，分别是自适应比例缩放区域和三阶多项式缩放区域。为了不超过运动平台工作空间范围，减小运动感觉误差，利用BP神经网络调节高幅值段的缩放比例系数h（0＜h≤1）。假设输入纵向比例信号幅值为x，与平台运动空间对应的最大幅值为xmax，幅值分界线为xboun。对所有幅值x≥xboun的输入信号进行变换，变换后的幅值为xtran（xtran≤xmax）。负方向的输入信号幅值处理与之类似，此处不再赘述。BP神经网络控制器结构如图4所示。

图4 BP神经网络控制器结构

采用运动感觉和模拟运动感觉作为输入信号，隐含层和输出层采用S型激活函数，输出层输出为高幅值段的自适应比例缩放系数h。自适应比例缩放系数为：

3 仿真分析

如表1所示，采用3种缩放限幅策略对比。等比缩放限幅的缩放比例系数为1，即原始信号。三阶多项式法适用于NASA艾姆斯研究中心的视觉运动模拟器（Visual Motion Simulator，VMS），其他运动模拟器采用这种方法会受限于平台尺寸而得不到较好的运动模拟体验。

表1 3种缩放限幅策略

飞行模拟器纵向洗出位移结果如图5所示。

图5 飞行模拟器纵向洗出位移

根据图5，未限幅的原始信号和经过三阶多项式洗出算法后得到的纵向位移基本相同。其中三阶多项式法虽然没有超过运动平台的限幅范围，但是容易在极值点出现信号畸变，导致平台纵向位移时常接近临界范围，不利于提高飞行模拟器的安全性和可靠性。分段缩放限幅保留了三阶多项式低幅值段的处理优点，在高幅值段也没有多次出现信号畸变，提高了飞行模拟器在临界范围内的安全性和可靠性。

经过前庭系统洗出的感觉加速度如图6所示。

图6 洗出感觉加速度

从图6可以看出，三阶多项式法洗出的感觉加速度相差较大，会明显出现运动模拟过程的虚假暗示现象。而分段缩放限幅洗出的感觉加速度更接近原始信号，即分段缩放限幅控制策略可以有效提高飞行模拟器运动模拟的动感逼真度。

4 结 论

通过建立线性最优洗出算法数学模型，在此基础上对该洗出算法的缩放限幅环节进行改进，提出分段缩放限幅方法，低幅值段采用三阶多项式法，高幅值段采用BP神经网络调控的自适应比例缩放法。对比3种缩放限幅策略，提出的分段缩放限幅方法能够减小洗出过程的运动感觉误差，保证运动平台在限幅范围内，降低虚假暗示的发生，有效提升飞行模拟器的动感逼真度。