一种基于系统辨识的操纵系统杆力梯度建模方法

1.本发明属于飞机操纵系统设计和飞行仿真技术领域，具体涉及一种基于系统辨识的操纵系统杆力梯度建模方法。


背景技术：

2.操纵负荷系统是高等级飞行模拟机重要的组成部分之一，能够在模拟训练中为飞行员提供真实的操纵杆力回馈，由于操纵系统是飞行员驾驶飞机时接触最直接、使用最频繁的系统，其真实性将直接影响飞行员的飞机的操纵记忆，在各等级训练模拟机的客观鉴定标准中，为了确保模拟训练的有效性，设置了专门针对操纵负荷系统模型真实性进行测试的科目，主要包括：“杆力-位移”测试和“操纵杆释放”测试。
3.进行“杆力-位移”测试时，测试人员需要在驾驶杆全行程内缓慢的移动驾驶杆，从而获取“杆力-位移”曲线，显然，这类测试只能够在地面静止时进行测试。
4.进行“操纵杆释放”测试，主要是为了验证驾驶杆转动惯量、摩擦力、动态阻尼、气动造成的铰链力矩、人感系统感觉力曲线是否与被仿真的对象一致。测试时，一般将操纵杆移动至全行程的25％～30％处后自然释放，记录操纵杆的在各力作用下的振荡特性。由于气动铰链力矩和人感系统感觉力通常与飞机动压和气动面偏转角度相关，“操纵杆释放”测试，需要在地面静止及空中不同飞行状态(起飞、巡航、着陆)时进行，以获取不同铰链力矩和人感系统感觉力下的操纵杆力变化特性。
5.目前常见的操纵杆力梯度建模方式，是根据操纵系统原理分别对操纵系统的机械连杆及比例关系，定中弹簧、死区、摩擦力、人感系统感觉力、气动铰链力矩等进行建模，通过操纵系统设计数据、以及对系统各项参数进行实际测量计算，从而形成完整的杆力梯度模型。
6.但这类建模方式最大的问题，就在于模型各参数缺往往难以准确的确定。
7.首先，虽然能够获取到飞机驾驶杆系的各连接结构的设计参数，但是由于加工、安装、飞行状态会使得连杆实际状态偏离设计参数；对于液压助力飞机而言，加载液压压力会对原有的杆系之间力的关系造成影响，而且影响往往难以通过理论计算得出。完全依据理论参数对杆力模型进行建模，得到的模型往往与实际模型存在一定的差异。
8.通过对操纵系统加装传感器，在真实飞行过程中获取部分操纵系统参数，从而对设计参数进行标定，虽然能够在一定程度上解决上述问题。然而，加装传感器成本过于昂贵，且部分参数很难通过简单的加装传感器即可测量得到。此外，为了对设计参数进行标定，要求操纵系统能在不同飞行状态下进行全行程移动，这在飞行过程中是不可能实现的。
9.根据操纵系统设计原理进行模型建立，往往导致操纵系统模型建模复杂，当操纵系统发生改变后，对模型调整困难，模型鲁棒性较差。通过系统辨识的方法对模型参数进行获取，可以有效的解决上述问题。


技术实现要素：

10.针对上述问题，本发明提出一种基于系统辨识的操纵系统杆力梯度建模方法，包括以下步骤：
11.本发明基于系统辨识的操纵系统杆力梯度建模方法，包括以下步骤：
12.步骤1:根据被模拟操纵系统特点建立操纵系统模型；
13.步骤2:获得操纵杆的静态特征数据；
14.步骤3：获得操纵杆的动态特征数据；
15.步骤4：通过操纵杆释放曲线，建立操纵杆运动时静态力、运动阻尼、摩擦力与操纵杆质量特性之间的关系，并通过系统辨识的方式，对操纵系统模型中未知参数进行辨识，获得完整的杆力梯度模型。
16.本发明优点在于：
17.1、本发明基于系统辨识的操纵系统杆力梯度建模方法，仅需要通过测量操纵杆一条“杆力-位移”和不同飞行状态下少数几条“操纵杆释放”曲线，即可实现模型的建立和系统参数的辨识。对于商业运行的飞机而言，上述两类曲线在进行模拟机试飞时均已进行过数据采集；对于还处于研发试飞阶段的飞机而言，上述曲线测量数据量少，测量方式和工具均非常成熟，且该数据的采集原本就在试飞科目中，不会造成额外的数据获取成本。
18.2、本发明基于系统辨识的操纵系统杆力梯度建模方法，不需要建立复杂的操纵系统原理模型，通过将操纵系统划分为静态特性和动态特性，利用系统辨识能够自动将系统中具有相似功能结构和输出特性的模块进行了合并，并通过统一参数进行管理，从而实现了模型的简化，从而提高系统的运算的效率和稳定性。
19.3、本发明基于系统辨识的操纵系统杆力梯度建模方法，实现了系统模型和参数的分离，系统模型可以依据待仿真系统的特点进行原理模型搭建，而参数辨识可以开发独立的工具链，此二者都是通用的。当被仿真对象发生改变后，无需对系统模型和参数进行大量修改调整，只需根据新的系统特点选择合适的原理模型，然后利用参数辨识工具链得到系统参数，即可快速得到系统模型。
20.4、本发明基于系统辨识的操纵系统杆力梯度建模方法，能够利用新测定得“杆力-位移”数据和“操纵杆释放”数据对模型进行快速更新，从而实现模型得快速校准和修正。
附图说明
21.图1为本发明基于系统辨识的操纵系统杆力梯度建模方法流程图。
22.图2为杆力-位移测量曲线及数据拟合后得到的插值表意图。
23.图3为操纵杆释放测量曲线及速度和加速度时间历程曲线。
24.图4为辨识模型仿真结果。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
26.本发明基于系统辨识的操纵系统杆力梯度建模方法，如图1所示，包括以下步骤：
27.步骤1:确定飞行操纵系统初步模型结构。
28.目前存在机械式操纵、液压助力式操纵、电传操纵等几种飞行操纵系统，对于不同
类型操纵系统，杆力梯度受到的影响因素存在一定差别。
29.下面以液压助力式操纵系统为例进行说明：
30.液压助力式操纵系统的杆力梯度一般受到定中弹簧、摩擦力、人感系统感觉力、运动阻尼几部分影响。
31.其中定中弹簧通常为机械弹簧结构，其力的大小与操纵杆偏离中立位置相关，可表示为操纵杆偏离中立位置角度θ的函数：
32.fspring＝f(θ)
33.人感系统感觉力为人工编程实现，通常为飞机动压qc和驾驶杆偏角θ的函数：
34.ffeel＝f(θ,qc)
35.摩擦力通常为滑动摩擦力，与运动方向v相反，表示为：
36.ffriction＝sign(v)
37.速度阻尼通常与速度成比例关系，表示为：
38.fdamp＝pv
39.根据理论力学可知，操纵杆运动时将产生惯性力，表示为：
40.finertia＝ma
41.操纵系统杆力梯度原理模型，即为上述几项力之和。
42.其中，p为速度阻尼系数；m为等效操纵杆质量；a为操纵杆运动加速度。
43.同时根据各参数是否随操纵杆运动/飞行状态等外部环境变化而发生变化，将飞行操纵系统参数划分为静态参数和动态参数，分别用于实现步骤2、3中静态特征与动态特征的获取。
44.步骤2：获得操纵杆的静态特征数据；
45.操纵杆的静态特征数据通过对操纵杆进行“杆力-位移”测试，记录测试期间的操纵杆位移、杆力及操纵面偏角时间历程数据，进一步通过数据拟合的方式获得，并形成杆力-位移插值表。
[0046]“杆力-位移”曲线为包含着定中弹簧、人感系统感觉力和摩擦力信息的静态曲线；“杆力-位移”曲线的测试，要求驾驶员以大约1度每秒的速度缓慢控制驾驶杆在全行程内移动，该移动过程中操纵杆的加速度和由速度导致的阻尼几乎可以忽略不记，即所得到的曲线为包含着定中弹簧、人感系统感觉力和摩擦力信息的静态曲线。对于绝大部分民用飞机而言，其“杆力-位移”曲线均已测定，可通过飞机供应商或通过试飞测量进行获取。
[0047]
由于摩擦力的存在，“杆力-位移”曲线通常为一条回滞曲线。由于测量数据存在噪声及干扰，因此在数据拟合前需要对“杆力-位移”测量数据通过平滑样条拟合方法进行拟合，即对于曲线上的每一个点，利用临近几个点的平均值进行代替，从而得到对数据进行平滑，最终得到“杆力-位移”插值表，该插值表即可用于静态特性模型描述，结果如图2所示。
[0048]
步骤3：获取操纵杆的动态特征数据。
[0049]
操纵杆的动态特征数据通过对操纵杆进行“操纵杆释放”测试。“操纵杆释放”曲线的测试要求为驾驶员在起飞、巡航及着陆阶段分别将操纵杆移动到全行程的25％～30％处后自然释放，并记录其振荡特性。因此其数据除了包含静态曲线外，还包含了由于操纵杆运动导致的速度阻尼以及操纵杆本身质量导致的惯性力。其中，速度阻尼可由驾驶杆速度乘以速度阻尼系数p得到；惯性力由驾驶杆加速度乘以质量得到。
[0050]
在“操纵杆释放”曲线测试时，记录测试时间、操纵杆位移、杆力、及操纵面偏角、操纵杆速度和加速度时间历程数据，能够准确的记录速度和加速度可以提高模型辨识精度；如果没有使用专门的传感器记录操纵杆运动的速度和加速度信息，则也可以不进行记录，通过对操纵杆位置进行洗出/差分等方式，得到近似的驾驶杆速度和加速度信息。
[0051]
随后对计算得到的速度与加速度数据准确性进行验证，利用前述方法计算得到的速度和加速度数据对操纵杆位置数据进行重建，并与原始测量操纵杆位数据进行对比，结果如图3所示。
[0052]
步骤4：操纵杆系统参数辨识。
[0053]
当人手握操纵杆时，会向操纵杆提供人工力fman，根据牛顿力学，可得到以下方程：
[0054]
fspring ffeel ffriction fdamp finertia＝fman
[0055]
当进行“操纵杆释放”测试时，上式中的人工力变为0,上式可改写为：
[0056]
fspring ffeel＝-sign(v)-pv-ma
[0057]
而等式左侧即为测定的静态特性曲线，右侧则包含p和m两个未知参数，通过最小二乘或极大似然等参数辨识方法，可以对未知参数进行确认，得到模型参数后，将参数带入原方程，即可得到完整的杆力梯度模型，示例辨识结果如图4所示。
[0058]
本发明中设计操纵系统所受力＝静态力 动态力。当操纵杆停留在某一个位置时，只受静态力作用，静态力的大小可以通过静态特性曲线(通过“杆力-位移”曲线拟合得到的)和操纵杆位置插值得到；当操纵杆运动时，同时受到静态力 动态力作用。可以通过“操纵杆释放”曲线得到加速度和速度，在通过系统辨识得到质量、速度阻尼等系数，从而得到动态力。
[0059]
利用发明得到的得到的杆力模型，即可根据任意操纵杆位移、输入，计算得到驾驶杆实时运动加速度、速度和杆力输出，从而实现飞行模拟机中驾驶杆力反馈。
[0060]
本方法得到的模型结构简单，计算效率高，且建模时不依赖于操纵系统原始设计参数的取得。此外，利用本方法对机械、电传等飞行操纵系统杆力进行建模,仅在模型结构部分与液压助力操纵系统存在差异，其余建模步骤完全一致，本方法具有良好的通用性，在飞行模拟机操纵系统建模和仿真领域有着巨大的优势和潜力。